DE102019218145A1 - Elektrolytmembran von membran-elektrode-anordnung mit elektronischer isolationsschicht und herstellungsverfahren davon - Google Patents

Elektrolytmembran von membran-elektrode-anordnung mit elektronischer isolationsschicht und herstellungsverfahren davon Download PDF

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Ha Yeong YU
Jin Yi CHOI
Ju Ahn PARK
Ju Young Lee
Jung Ik Kim
Min Kyung Kim
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Abstract

Offenbart sind eine Elektrolytmembran einer Membran-Elektrode-Anordnung, die eine elektronische Isolationsschicht umfasst, welche die Haltbarkeit der Elektrolytmembran erheblich verbessert, und ein Verfahren zum Herstellen derselbigen. Die Elektrolytmembran umfasst eine Ionenaustauschschicht und eine elektronische Isolationsschicht, die auf der Ionenaustauschschicht vorgesehen ist, und die elektronische Isolationsschicht umfasst einen oder mehrere Katalysatorkomplexe, und ein zweites Ionomer. Insbesondere umfasst jeder des einen oder mehr Katalysatorkomplexes ein Katalysatorpartikel und ein erstes Ionomer, das auf die Gesamtheit oder einen Abschnitt der Oberfläche des Katalysatorpartikels beschichtet ist, und der eine oder mehr Katalysatorkomplexe sind in dem zweiten Ionomer dispergiert.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolytmembran einer Membran-Elektrode-Anordnung mit einer elektronischen Isolationsschicht, welche die Haltbarkeit der Elektrolytmembran wesentlich verbessern kann, und ein Verfahren zum Herstellen derselbigen.
  • HINTERGRUND
  • In einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) dient eine Elektrolytmembran dazu, Wasserstoffionen zu übertragen. In den verwandten Techniken ist die Elektrolytmembran unter Verwendung eines Ionenaustauschmaterials hergestellt worden, um Wasserstoffionen zu übertragen. Das Ionenaustauschmaterial enthält im Allgemeinen Feuchtigkeit, um an einer Anode erzeugte Wasserstoffionen selektiv zu einer Kathode zu bewegen.
  • Die Haltbarkeit der Elektrolytmembran wird durch die Verschlechterung der Elektrolytmembran aufgrund des Übergangs von Wasserstoff verringert. Zum Beispiel, aufgrund des Übergangs von Wasserstoff und Sauerstoff, berührt der Wasserstoff Sauerstoff an der Grenzfläche zwischen der Elektrolytmembran und der Kathode, derart dass Wasserstoffperoxid erzeugt wird. Das Wasserstoffperoxid wird in ein Hydroxyl-Radikal ( ·OH) und ein Hydroperoxyl-Radikal ( ·OH) dissoziiert, wodurch sich die Elektrolytmembran verschlechtert.
  • In den letzten Jahren ist die Dicke der Elektrolytmembran verringert worden, um Kosten zu verringern und den Ionenwiderstand der Elektrolytmembran zu verringern. Je dünner die Elektrolytmembran, desto mehr ist jedoch die Übergangsmenge von Wasserstoff. Als eine Folge nimmt die Lebensdauer der Elektrolytmembran allmählich ab.
  • Um das obige Problem zu lösen, ist eine Technologie zum Zufügen einer kleinen Menge eines Katalysators zu der Elektrolytmembran, um die Erzeugung von Radikalen zu verhindern, vorgeschlagen worden. Wenn die Elektrolytmembran beginnt sich aufgrund von durch Wasserstoffperoxid ausgebildeten Radikalen zu verschlechtern, wird jedoch die chemische Verschlechterung der Elektrolytmembran aufgrund des in der Elektrolytmembran enthaltenen Katalysators beschleunigt. Deshalb ist eine Verbesserung davon immer noch erforderlich.
  • Die obigen Informationen, die in diesem Hintergrundabschnitt offenbart sind, sind lediglich zur Steigerung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung vorgesehen, und deshalb können sie Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der in diesem Land einem gewöhnlichen Fachmann bereits bekannt ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • In bevorzugten Aspekten wird eine Elektrolytmembran einer Membran-Elektrode-Anordnung bereitgestellt, welche eine Verschlechterung der Elektrolytmembran aufgrund des Übergangs von Wasserstoff und Sauerstoff effektiv verhindern kann. Ferner wird eine Elektrolytmembran einer Membran-Elektrode-Anordnung mit bemerkenswert verbesserter Haltbarkeit bereitgestellt.
  • Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung sind nicht auf jene beschränkt, die oben beschrieben sind. Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung eindeutig verstanden werden und könnten durch Mittel, die in den Ansprüchen definiert sind, und einer Kombination davon implementiert werden.
  • In einem Aspekt wird eine Elektrolytmembran einer Membran-Elektrode-Anordnung bereitgestellt. Die Elektrolytmembran muss eine elektronische Isolationsschicht sein. Es ist erforderlich, dass nicht nur die Elektrolytmembran, sondern auch die Umgebung von Katalysatorkomplexen oder -zusammensetzungen elektronisch isoliert ist. Insbesondere kann die elektronische Isolationsschicht einen oder mehr Katalysatorkomplexe oder -zusammensetzungen aufweisen, von denen jede/r ein Katalysatorpartikel und ein erstes Ionomer aufweisen kann, das auf die Gesamtheit oder einen Abschnitt der Oberfläche des Katalysatorpartikels beschichtet ist, und ein zweites Ionomer, welches eine Polymermatrix mit den darin dispergierten Katalysatorkomplexen aufweisen kann.
  • Der Begriff „elektronische Isolationsschicht“, wie hierin verwendet, bezieht sich auf eine Schicht oder Membran, die eine wesentlich verringerte elektronische Leitfähigkeit aufweist, derart dass sich elektrische Ladungen (z.B. Elektronen) nicht frei übertragen und kein oder ein sehr geringer elektrischer Strom, sogar unter dem angewandten elektrischen Feld, erzeugt wird. Zum Beispiel kann die elektronische Isolationsschicht die elektronische Leitfähigkeit aufweisen, die geringer als diejenige von destilliertem Wasser ist, z.B. geringer als ungefähr 5×10-6S/m, geringer als ungefähr 10-6S/m, geringer als ungefähr 10-7S/m, oder geringer als ungefähr 10-8S/m.
  • Die Ionenaustauschschicht kann zweckmäßig eine poröse Verstärkungsschicht, eine erste Ionenaustauschschicht, die auf einer ersten Oberfläche der Verstärkungsschicht vorgesehen ist, und eine zweite Ionenaustauschschicht aufweisen, die auf einer zweiten Oberfläche der Verstärkungsschicht vorgesehen ist.
  • Die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche sind gemeint mit Bezug auf zwei Oberflächen, die in entgegengesetzte Richtungen von einer einzelnen ebenen Struktur (z.B. Membran oder eine Schicht) gewandt sind. Die Ionenaustauschschicht kann ein Ionenaustauschmaterial aufweisen. Vorzugsweise kann ein Ionenaustauschmaterial der Ionenaustauschschicht das zweite Ionomer sein.
  • Das Katalysatorpartikel kann zweckmäßig ein Katalysatormetall und einen Kohlenstoffträger aufweisen, zum Beispiel kann das Katalysatormetall auf dem Kohlenstoffträger gestützt sein.
  • Das Katalysatormetall kann zweckmäßig Platin (Pt) aufweisen.
  • Das erste Ionomer kann das gleiche wie das zweite Ionomer sein. Alternativ können sich das erste Ionomer und das zweite Ionomer unterscheiden, zum Beispiel in Molekulargewichten, Substituentengruppen oder anderen Strukturen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform, kann das erste Ionomer ein Polymermaterial mit einer kürzeren Seitenkettengruppe als das zweite Ionomer aufweisen.
  • Zumindest eines des ersten Ionomers und des zweiten Ionomers kann zweckmäßig Perfluorsulfonsäure (PFSA) aufweisen. Vorzugsweise können beide des ersten Ionomers und des zweiten Ionomers zweckmäßig Perfluorsulfonsäure (PFSA) aufweisen.
  • Die elektronische Isolationsschicht kann zweckmäßig eine Menge von ungefähr 0,5 Gew.-% bis 5 Gew.-% der Katalysatorpartikel basierend auf dem Gesamtgewicht der elektronischen Isolationsschicht aufweisen.
  • In einem anderen Aspekt wird eine Membran-Elektrode-Anordnung bereitgestellt, mit der Elektrolytmembran und einem Paar an Elektroden, die auf beiden Oberflächen (z.B. erste und zweite Oberflächen) der Elektrolytmembran vorgesehen sind.
  • In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrolytmembran einer Membran-Elektrode-Anordnung bereitgestellt. Das Verfahren kann ein Herstellen eines ersten Gemischs durch Dispergieren von Katalysatorpartikeln in eine erste Ionomer-Lösung, Trocknen des ersten Gemischs, um Katalysatorkomplexe zu erhalten, Herstellen eines zweiten Gemischs durch Dispergieren der Katalysatorkomplexe in eine zweiten Ionomer-Lösung, und Aufbringen des zweiten Gemischs auf eine Ionenaustauschschicht und Trocknen des zweiten Gemischs, um eine elektronische Isolationsschicht auszubilden, umfassen.
  • Das Verfahren kann ferner ein Wärmebehandeln der elektronischen Isolationsschicht umfassen.
  • Die Mischung mit den darin dispergierten Katalysatorpartikeln kann bei einer Temperatur von ungefähr 25°C bis 160°C getrocknet werden.
  • Die Mischung mit den darin dispergierten Katalysatorkomplexen kann auf die Ionenaustauschschicht aufgebracht werden, und kann bei einer Temperatur von ungefähr 25°C bis 100°C getrocknet werden, um die elektronische Isolationsschicht auszubilden.
  • Die elektronische Isolationsschicht kann bei einer Temperatur von ungefähr 160°C bis 200°C wärmebehandelt werden.
  • Ferner wird eine Brennstoffzelle mit der Membran-Elektrode-Anordnung wie hierin beschrieben bereitgestellt.
  • Andere Aspekte der Erfindung werden unten diskutiert.
  • Figurenliste
  • Die obigen und anderen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail in Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen davon beschrieben werden, die in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind, welche nachstehend lediglich zur Veranschaulichung angeführt sind, und somit nicht beschränkend für die vorliegende Erfindung sind, und wobei:
    • 1 eine beispielhafte Membran-Elektrode-Anordnung in einer Schnittansicht gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 2 eine beispielhafte Elektrolytmembran in einer Schnittansicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 3 einen beispielhaften Katalysatorkomplex in einer Schnittansicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 4 eine beispielhafte Elektrolytmembran in einer Schnittansicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
    • 5 ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen einer beispielhaften Elektrolytmembran einer Membran-Elektrode-Anordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Es sollte verstanden werden, dass die angefügten Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgerecht sind, wobei sie eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen präsentieren, welche die Grundprinzipien der Erfindung veranschaulichen. Die spezifischen Designmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie hierin offenbart, einschließlich beispielsweise spezifischer Abmessungen, Ausrichtungen, Orten und Formen, werden zum Teil durch die besondere beabsichtigte Anwendung und Nutzungsumgebung bestimmt.
  • In den Figuren beziehen sich Bezugszeichen durchweg in den mehreren Figuren der Zeichnung auf die gleichen oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die oben beschriebenen Aufgaben, und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile, werden aus den folgenden bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen eindeutig verstanden werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsformen beschränkt und wird in unterschiedlichen Formen verkörpert werden. Die Ausführungsformen werden lediglich vorgeschlagen, um ein genaues und vollständiges Verständnis der offenbarten Inhalte zu bieten und Fachleute von dem technischen Konzept der vorliegenden Erfindung ausreichend zu informieren.
  • Gleiche Bezugszeichen beziehen sich durchweg in der Beschreibung der Figuren auf gleiche Elemente. In den Zeichnungen sind die Größen von Strukturen aus Gründen der Klarheit übertrieben. Es sollte verstanden werden, dass, obwohl die Begriffe „erste/r“, „zweite/r“ usw. hierin verwendet werden können, um verschiedene Elemente zu beschreiben, entsprechende Elemente nicht verstanden werden sollten durch diese Begriffe, welche lediglich verwendet werden, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden, beschränkt zu sein. Zum Beispiel kann innerhalb des durch die vorliegende Erfindung definierten Umfangs ein erstes Element als ein zweites Element und ähnlich bezeichnet werden, ein zweites Element kann als ein erstes Element bezeichnet werden. Es ist beabsichtigt, dass Singularformen auch Pluralformen umfassen, sofern aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht.
  • Es wird ferner verstehen werden, dass die Begriffe „umfasst“, „aufweist“ und dergleichen, wenn sie in dieser Spezifikation verwendet werden, das Vorhandensein angegebener Merkmale, Anzahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente, Komponenten oder Kombinationen davon spezifizieren, nicht aber das Vorhandensein oder Zufügen von einem oder mehr anderen Merkmalen, Anzahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten oder Kombinationen davon ausschließen. Außerdem wird verstanden werden, dass, wenn ein Element wie beispielsweise eine Schicht, Film, Bereich oder Substrat als „auf“ einem anderen Element bezeichnet wird, es direkt auf dem anderen Element sein kann oder ein dazwischenkommendes Element auch vorhanden sein kann. Es wird auch verstanden werden, dass, wenn ein Element wie beispielsweise eine Schicht, Film, Bereich oder Substrat als „unter“ einem anderen Element bezeichnet wird, es direkt unter dem anderen Element sein kann oder ein dazwischenkommendes Element auch vorhanden sein kann.
  • Sofern aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht, sind sämtliche Anzahlen, Figuren und/oder Ausdrücke, die Bestandteile, Reaktionsbedingungen, Polymerzusammensetzungen und Mengen von Mischungen repräsentieren, die in dieser Spezifikation verwendet werden, Annäherungen sind, die verschiedene Messunsicherheiten reflektieren, die beim Erhalten dieser Figuren unter anderem inhärent auftreten. Aus diesem Grund sollte verstanden werden, dass in sämtlichen Fällen der Begriff „ungefähr“ sämtliche Anzahlen, Figuren und/oder Ausdrücke modifizieren sollte. Sofern nicht besonders angegeben oder aus dem Kontext offensichtlich, wird, wie hierin verwendet, der Begriff „ungefähr“ als innerhalb eines Bereichs von normaler Toleranz im Stand der Technik verstanden, zum Beispiel innerhalb von 2 Standardabweichungen von dem Mittelwert. „Ungefähr“ kann als innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts verstanden werden. Sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt, werden sämtliche hierin bereitgestellte Zahlenwerte durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert.
  • Außerdem, wenn Zahlenbereiche in der Beschreibung offenbart sind, sind diese Bereiche kontinuierlich und umfassen sämtliche Zahlen von dem Minimum zu dem Maximum einschließlich des Maximums innerhalb des Bereichs, sofern es nicht anderweitig definiert ist. Des Weiteren, wenn sich der Bereich auf ein Integer bezieht, umfasst er sämtliche Integer von dem Minimum zu dem Maximum einschließlich des Maximums innerhalb des Bereichs, sofern es nicht anderweitig definiert ist.
  • 1 zeigt eine Schnittansicht einer beispielhaften Membran-Elektrode-Anordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt, kann die Membran-Elektrode-Anordnung eine Elektrolytmembran 1 und ein Paar an Elektroden 2 umfassen, die an gegenüberliegenden Oberflächen der Elektrolytmembran 1 ausgebildet sind. Hier bedeutet „ein Paar an Elektroden“ eine Anode und eine Kathode, welche auf gegenüberliegenden Oberflächen (z.B. erste und zweite Oberflächen) der Elektrolytmembran angeordnet sind.
  • 2 zeigt eine Schnittansicht einer beispielhaften Elektrolytmembran 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 gezeigt, kann die Elektrolytmembran 1 eine Ionenaustauschschicht 10 und eine elektronische Isolationsschicht 20 aufweisen, die auf der Ionenaustauschschicht 10 vorgesehen ist.
  • Die elektronische Isolationsschicht 20 kann Katalysatorkomplexe 21 und ein zweites Ionomer 22 enthalten, welches eine Polymer-Matrix mit den darin dispergierten Katalysatorkomplexen 21 sein kann. Die elektronische Isolationsschicht 20 kann zum Beispiel für eine Kathode vorgesehen sein, welche eine der Elektroden 2 ist.
  • Die Ionenaustauschschicht 10, welche in der Elektrolytmembran 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten sein kann, kann in der Form eines einzelnen Films, der aus einem Ionenaustauschmaterial hergestellt ist, ausgestaltet sein. Die Ionenaustauschschicht 10 kann ferner ein Antioxidans enthalten.
  • Das Ionenaustauschmaterial kann das gleiche Material wie das zweite Ionomer 22 sein.
  • Obwohl das Ionenaustauschmaterial nicht besonders beschränkt ist, kann das Ionenaustauschmaterial zweckmäßig Perfluorsulfonsäure (PFSA) enthalten. Zum Beispiel kann das Ionenaustauschmaterial Nafion enthalten oder sein.
  • 3 zeigt eine Schnittansicht eines beispielhaften Katalysatorkomplexes 21. Wie in 3 gezeigt, kann der Katalysatorkomplex 21 ein Katalysatorpartikel 211 und ein erstes Ionomer 212 enthalten, das auf die Gesamtheit oder einen Abschnitt der Oberfläche des Katalysatorpartikels 211 beschichtet ist. Insbesondere kann in dem Katalysatorkomplex 21 das erste Ionomer 212 auf die gesamte Oberfläche des Katalysatorpartikels 211 beschichtet sein. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
  • Das Katalysatorpartikel 211 kann zweckmäßig ein Katalysatormetall umfassen, das auf einem Kohlenstoffträger gestützt ist. Das Katalysatormetall kann zweckmäßig eines oder mehr von Edelmetallelementen umfassen, welche aus der Gruppe ausgewählt sein können, die aus Platin (Pt), Gold (Au), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru) und einer Kombination davon besteht. Das Katalysatormetall kann insbesondere Platin (Pt) umfassen.
  • Wenn der Übergang von Wasserstoff- und Sauerstoffgas auftritt, wandelt das Katalysatorpartikel das Wasserstoffgas direkt in Wasser um, um die Ausbildung von Radikalen in der Elektrolytmembran zu verhindern. Folglich kann die chemische Haltbarkeit der Elektrolytmembran wesentlich verbessert werden.
  • Das Wasserstoffgas kann jedoch nicht durch das Katalysatorpartikel in Wasser umgewandelt werden, sondern kann zwischen angrenzenden Katalysatorpartikeln durchgehen und kann Radikale an der Grenzfläche zwischen der Kathode 2 und der Elektrolytmembran ausbilden. Die Radikale können die chemische Verschlechterung des zweiten Ionomers 22 der elektronischen Isolationsschicht 20 beschleunigen, wodurch das Katalysatorpartikel 211, welche in einem elektronisch isolierten Zustand ist, freigelegt wird und somit die Funktion davon verloren gehen kann. Gemäß verschiedener beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, kann ein erstes Ionomer 212 auf die Gesamtheit oder einen Abschnitt der Oberfläche des Katalysatorpartikels 211 beschichtet sein. Obwohl eine chemische Verschlechterung der elektronischen Isolationsschicht 20 aufgrund der Radikale etwas auftritt, kann der elektronisch isolierte Zustand des Katalysatorpartikels 211 beibehalten werden. Als eine Folge kann die verbesserte Haltbarkeit der Elektrolytmembran gemäß den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für einen langen Zeitraum beibehalten werden.
  • Das erste Ionomer 212 kann das gleiche Polymermaterial wie das zweite Ionomer 22 sein, oder kann ein Polymermaterial mit einer kürzeren Seitenkettengruppe als das zweite Ionomer 22 sein. Vorzugsweise kann als das erste Ionomer 212 ein Polymermaterial mit einer kürzeren Seitenkettengruppe als das zweite Ionomer 22 verwendet werden, da ein Polymermaterial mit einer kürzeren Seitenkettengruppe robuster gegen chemische Verschlechterung sein kann.
  • Jedes des ersten Ionomers 212 und des zweiten Ionomers 22 kann zweckmäßig Perfluorsulfonsäure (PFSA) umfassen. Insbesondere kann das erste Ionomer 212 PFSA mit kurzer Seitenkette sein.
  • Die elektronische Isolationsschicht 20 kann zweckmäßig eine Menge von ungefähr 0,5 Gew.-% bis 5 Gew.-% der Katalysatorpartikel 211 basierend auf dem Gesamtgewicht der elektronischen Isolationsschicht 20 umfassen. Wenn der Gehalt der Katalysatorpartikel 211 weniger als ungefähr 0,5 Gew.-% beträgt, kann der Effekt des Verhinderns der Erzeugung von Radikalen unwesentlich sein. Wenn der Gehalt der Katalysatorpartikel 211 größer als ungefähr 5 Gew.-% ist, können die Ionenleitfähigkeit in der Elektrolytmembran 1 oder die mechanische Integrität der Elektrolytmembran 1 verringert sein, wodurch die Haltbarkeit der Elektrolytmembran 1 verringert sein kann.
  • 4 zeigt eine Schnittansicht einer beispielhaften Elektrolytmembran 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 4 gezeigt, kann die Elektrolytmembran 1 eine Ionenaustauschschicht 10 und eine elektronische Isolationsschicht 20 umfassen, die auf der Ionenaustauschschicht 10 vorgesehen ist. Die elektronische Isolationsschicht 20 kann für eine der Elektroden 2, insbesondere eine Kathode, vorgesehen sein. Alternativ kann die elektronische Isolationsschicht 20 für eine oder beide der Kathode und einer Anode vorgesehen sein.
  • Zum Beispiel kann die Ionenaustauschschicht 10 eine Verstärkungsschicht 11 zum Erhöhen der mechanischen Steifigkeit davon umfassen, und die Verstärkungsschicht 11 kann mit einem Ionenaustauschmaterial imprägniert sein, derart dass die Ionenaustauschschicht 10 eine dreischichtige Struktur aufweist.
  • Insbesondere kann die Ionenaustauschschicht 10 eine Verstärkungsschicht 11, eine erste Ionenaustauschschicht 12, die auf einer Oberfläche der Verstärkungsschicht 11 vorgesehen ist, und eine zweite Ionenaustauschschicht 13 umfassen, die auf der anderen Oberfläche der Verstärkungsschicht 11 vorgesehen ist.
  • Die Verstärkungsschicht 11 kann zweckmäßig einen porösen Film umfassen, der aus expandiertem Polytetrafluorethylen (e-PTFE) hergestellt ist und kann eine große Anzahl von Poren darin aufweisen.
  • Die elektronische Isolationsschicht 20, die in der Elektrolytmembran 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist, kann die gleiche sein wie die, welche zuvor beschrieben wurde, und eine Beschreibung davon wird weggelassen.
  • 5 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Herstellen einer beispielhaften Elektrolytmembran einer beispielhaften Membran-Elektrode-Anordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 5 gezeigt, kann das Verfahren zum Herstellen der Elektrolytmembran einen Schritt des Herstellens eines ersten Gemischs, zum Beispiel durch Zuführen und Dispergieren von Katalysatorpartikeln in eine erste Ionomerlösung (S10), einen Schritt des Trocknens des ersten Gemischs mit den darin dispergierten Katalysatorpartikeln, um Katalysatorkomplexe zu erhalten (S20), einen Schritt des Herstellens eines zweiten Gemischs, zum Beispiel durch Zuführen und Dispergieren der Katalysatorkomplexe in eine zweite Ionomerlösung (S30), einen Schritt des Aufbringens und Trocknens des zweiten Gemischs mit den darin dispergierten Katalysatorkomplexen auf eine Ionenaustauschschicht, um eine elektronische Isolationsschicht auszubilden (S40), und, optional, einen Schritt des Wärmebehandelns der elektronischen Isolationsschicht (S50) umfassen.
  • Der Schritt des Herstellens des ersten Gemischs durch Zufügen und Dispergieren der Katalysatorpartikel in die erste Ionomerlösung (S10) kann durch eine geeignete Vorrichtung unter angemessen festgelegten Bedingungen ausgeführt werden, derart dass die Katalysatorpartikel in der ersten Ionomerlösung gleichmäßig dispergiert werden.
  • Die erste Ionomerlösung kann durch Dispergieren des ersten Ionomers in einer Lösung wie beispielsweise Wasser oder Alkohol erhalten werden, oder kann in der Form einer Emulsion des ersten Ionomers sein.
  • Nachfolgend kann eine Mischung mit den darin dispergierten Katalysatorpartikeln getrocknet werden, um Katalysatorkomplexe zu erhalten (S20). Die Mischung kann bei einer Temperatur von ungefähr 25°C oder größer, und geringer als die Temperatur, bei welcher die Seitenkette des ersten Ionomers verloren geht, getrocknet werden. Die Temperatur, bei welcher die Seitenkette des ersten Ionomers verloren geht, kann abhängig von der Art des ersten Ionomers variieren. Zum Beispiel, wenn das erste Ionomer Perfluorsulfonsäure (PFSA) ist, kann die Mischung bei einer Temperatur von ungefähr 25°C bis 160°C getrocknet werden.
  • Die Katalysatorkomplexe wurden vorher beschrieben, und deshalb wird eine weitere Beschreibung davon weggelassen.
  • Der Schritt des Herstellens des zweiten Gemischs durch Zuführen und Dispergieren der Katalysatorkomplexe in die zweite Ionomerlösung (S30) kann durch eine geeignete Vorrichtung unter angemessen festgelegten Bedingungen ausgeführt werden, derart dass die Katalysatorkomplexe in der zweiten Ionomerlösung gleichmäßig dispergiert werden.
  • Die zweite Ionomerlösung kann durch Dispergieren des zweiten Ionomers in einer Lösung wie beispielsweise Wasser oder Alkohol erhalten werden, oder kann die Emulsionsform des zweiten Ionomers sein.
  • Nachfolgend kann das zweite Gemisch mit den darin dispergierten Katalysatorkomplexen auf eine Ionenaustauschschicht aufgebracht und getrocknet werden, um eine elektronische Isolationsschicht auszubilden (S40). Die Menge des zweiten Gemischs, das aufgebracht werden kann, ist nicht besonders beschränkt, und kann abhängig von der gewünschten Dicke der elektronischen Isolationsschicht angemessen angepasst werden. Außerdem kann die Mischung bei einer Temperatur von ungefähr 25°C bis 100°C getrocknet werden.
  • Bei dem Schritt des Wärmebehandelns der elektronischen Isolationsschicht (S50), kann die elektronische Isolationsschicht bei einer Temperatur von ungefähr 160°C bis 200°C wärmebehandelt werden. Der Schritt des Ausbildens der elektronischen Isolationsschicht (S40) und der Schritt des Wärmebehandelns der elektronischen Isolationsschicht (S50) können kontinuierlich oder diskontinuierlich ausgeführt werden.
  • Gemäß verschiedener beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, kann eine Elektrolytmembran eine elektronische Isolationsschicht umfassen, die zum Blockieren von Luft imstande ist, um zu verhindern, dass Wasserstoffperoxid, das aufgrund des Übergangs von Wasserstoff ausgebildet wird, in Radikale aufgelöst wird, wodurch die chemische Haltbarkeit der Elektrolytmembran erheblich verbessert werden kann.
  • Überdies können die in einer elektronischen Isolationsschicht enthaltenen Katalysatorpartikel mit einem Ionomer beschichtet sein, derart dass die Katalysatorpartikel in einem elektronisch isolierten Zustand beibehalten werden können, sogar wenn sich die Elektrolytmembran chemisch verschlechtert, wodurch die chemische Haltbarkeit der Elektrolytmembran weiter erheblich verbessert werden kann.
  • Die Effekte der vorliegenden Erfindung sind nicht auf jene beschränkt, die oben erwähnt sind. Es sollte verstanden werden, dass die Effekte der vorliegenden Erfindung sämtliche Effekte beinhalten, die aus der vorangehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung abgeleitet werden können.
  • Die Erfindung ist im Detail unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen davon beschrieben worden. Fachleute werden jedoch zu schätzen wissen, dass Änderungen in diesen Ausführungsformen ausgeführt werden können, ohne von den Prinzipien und Gedanken der Erfindung abzuweichen, deren Umfang in den angehängten Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert ist.

Claims (16)

  1. Elektrolytmembran einer Membran-Elektrode-Anordnung, mit: einer Ionenaustauschschicht; und einer elektronischen Isolationsschicht, die auf der Ionenaustauschschicht vorgesehen ist, wobei die elektronische Isolationsschicht aufweist: einen oder mehr Katalysatorkomplexe, von denen jeder ein Katalysatorpartikel und ein erstes Ionomer aufweist, das auf eine Gesamtheit oder einen Abschnitt von einer Oberfläche des Katalysatorpartikels beschichtet ist; und ein zweites Ionomer, das eine Polymermatrix mit dem darin dispergierten Katalysatorkomplex aufweist.
  2. Elektrolytmembran nach Anspruch 1, wobei die Ionenaustauschschicht eine poröse Verstärkungsschicht, eine erste Ionenaustauschschicht, die auf einer ersten Oberfläche der Verstärkungsschicht vorgesehen ist, und eine zweite Ionenaustauschschicht aufweist, die auf einer zweiten Oberfläche der Verstärkungsschicht vorgesehen ist.
  3. Elektrolytmembran nach Anspruch 1, wobei die Ionenaustauschschicht ein Ionenaustauschmaterial aufweist.
  4. Elektrolytmembran nach Anspruch 3, wobei das Ionenaustauschmaterial das gleiche wie das zweite Ionomer ist.
  5. Elektrolytmembran nach Anspruch 1, wobei das Katalysatorpartikel ein Katalysatormetall und einen Kohlenstoffträger aufweist, wobei das Katalysatormetall auf dem Kohlenstoffträger gestützt ist.
  6. Elektrolytmembran nach Anspruch 5, wobei das Katalysatormetall Platin (Pt) aufweist.
  7. Elektrolytmembran nach Anspruch 1, wobei das erste Ionomer ein gleiches wie das zweite Ionomer ist oder ein Polymermaterial mit einer kürzeren Seitenkettengruppe als das zweite Ionomer aufweist.
  8. Elektrolytmembran nach Anspruch 1, wobei zumindest eines des ersten Ionomers und des zweiten Ionomers Perfluorsulfonsäure (PFSA) aufweist.
  9. Elektrolytmembran nach Anspruch 1, wobei die elektronische Isolationsschicht eine Menge von ungefähr 0,5 Gew.-% bis 5 Gew.-% der Katalysatorpartikel basierend auf dem Gesamtgewicht der elektronischen Isolationsschicht aufweist.
  10. Membran-Elektrode-Anordnung, mit: einer Elektrolytmembran nach Anspruch 1; und einem Paar an Elektroden, die auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran vorgesehen sind.
  11. Verfahren zum Herstellen einer Elektrolytmembran einer Membran-Elektrode-Anordnung, umfassend: Herstellen eines ersten Gemischs durch Dispergieren von Katalysatorpartikeln in eine erste Ionomerlösung; Trocknen des ersten Gemischs, um einen oder mehr Katalysatorkomplexe zu erhalten; Herstellen eines zweiten Gemischs durch Dispergieren der einen oder mehr Katalysatorkomplexe mit einer zweiten Ionomerlösung; und Aufbringen des zweiten Gemischs auf eine Ionenaustauschschicht und Trocknen des aufgebrachten zweiten Gemischs, um eine elektronische Isolationsschicht auszubilden.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend ein Wärmebehandeln der elektronischen Isolationsschicht.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das erste Gemisch bei einer Temperatur von ungefähr 25°C bis 160°C getrocknet wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das zweite Gemisch bei einer Temperatur von ungefähr 25°C bis 100°C getrocknet wird, um die elektronische Isolationsschicht auszubilden.
  15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die elektronische Isolationsschicht bei einer Temperatur von ungefähr 160°C bis 200°C wärmebehandelt wird.
  16. Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektrode-Anordnung nach Anspruch 10.
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