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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Anordnung.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Anordnung (MEGA) ist bekannt. Bei dem Verfahren werden eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht miteinander verbunden, während eine Elektrolytmembranbahn mit der Katalysatorschicht auf einer ersten Seite einer Elektrolytmembran und eine Trägerbahn, die eine zweite Seite der Elektrolytmembran trägt, durch ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren befördert werden, so dass die Membran-Elektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Anordnung hergestellt wird (siehe z.B. die japanische Patentanmeldung
JP 2019 - 79 671 A ).
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Wenn die MEGA unter Verwendung der Elektrolytmembran hergestellt wird, die von der Trägerbahn getragen wird, wird die Trägerbahn während des MEGA-Herstellungsprozesses von der Elektrolytmembran abgezogen, um die Katalysatorschichten auf beiden Seiten der Elektrolytmembran zu bilden. Zu diesem Zeitpunkt können die Elektrolytmembran und die Katalysatorschicht zusammen mit der Trägerbahn gezogen werden, und es kann zu einem Abschälen bzw. Ablösen zwischen der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht kommen. Die Erfinder haben herausgefunden, dass bei der Verwendung einer Elektrolytmembran mit einem kleinen Äquivalentgewicht (Ew), das die Trockenmasse des Elektrolyten pro 1 Mol Sulfogruppe bzw. Sulfonsäuregruppe ist, um die Leistung des MEGA zu verbessern, insbesondere die Schälfestigkeit zwischen der Elektrolytmembran und der Trägerbahn groß werden kann, so dass das oben erwähnte Abschälen bzw. Ablösen wahrscheinlich ist.
- (1) Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Anordnung. Das Verfahren umfasst: Aufbringen einer Katalysatortinte, die ein Ionomer enthält, auf eine zweite Oberfläche einer Elektrolytmembran, während eine erste Bahn befördert wird, auf der eine erste Oberfläche der Elektrolytmembran von einer Trägerbahn gelagert ist; Trocknen der Katalysatortinte durch Blasen von mit Ultraschallwellen vibrierter Luft auf eine Oberfläche der Katalysatortinte, um eine zweite Bahn zu erzeugen, auf der eine Katalysatorschicht auf der zweiten Oberfläche der Elektrolytmembran ausgebildet ist; Bilden einer ersten Rolle durch Aufwickeln der zweiten Bahn; und Herstellen einer dritten Bahn durch Stapeln einer Gasdiffusionsschicht auf die Katalysatorschicht und Pressen der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht in einer Stapelrichtung zum Erwärmen der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht, um die Katalysatorschicht und die Gasdiffusionsschicht zu verbinden, während die zweite Bahn von der ersten Rolle abgewickelt wird. Bei dem Verfahren nach dem obigen Aspekt wird die ionomerhaltige Katalysatortinte durch die von Ultraschallwellen in Schwingungen versetzte Luft schnell getrocknet, um die Katalysatorschicht zu bilden. Auf diese Weise ist es möglich, eine Entmischung bzw. Abscheidung der Ionomere zu der Seite der Katalysatorschicht hin zu bewirken, auf der die Gasdiffusionsschicht gestapelt ist. Dadurch wird die Schälfestigkeit zwischen der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht verbessert. Auf diese Weise ist es möglich, das Auftreten eines Abschälens zwischen der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht zu unterdrücken, wenn die Trägerbahn abgezogen wird.
- (2) Bei dem Verfahren nach dem obigen Aspekt kann nach der Herstellung der dritten Bahn die Trägerbahn von der dritten Bahn abgezogen werden, um eine vierte Bahn zu bilden, und die vierte Bahn kann zu einer Rollenform gewickelt werden, um eine zweite Rolle zu bilden. Mit dem Verfahren gemäß der vorstehend genannten Konfiguration ist es möglich, das Auftreten eines Abschälens zwischen der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht zu unterdrücken, wenn die Trägerbahn von der dritten Bahn abgezogen wird, während die dritte Bahn transportiert wird.
- (3) Bei dem Verfahren gemäß dem obigen Aspekt kann ein Äquivalentgewicht der Elektrolytmembran, das eine Trockenmasse des Elektrolyten pro 1 Mol Sulfogruppe bzw. Sulfonsäuregruppe in der Elektrolytmembran ist, einen solchen Wert haben, dass eine erste Schälfestigkeit zwischen der Trägerbahn und der Elektrolytmembran kleiner ist als eine zweite Schälfestigkeit zwischen der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht. Mit dem Herstellungsverfahren gemäß der vorstehend genannten Konfiguration ist es möglich, das Auftreten eines Abschälens zwischen der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht zu unterdrücken, wenn die Trägerbahn entfernt wird.
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Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Formen realisiert werden, und kann zum Beispiel durch ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Anordnung, durch eine Membran-Elektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Anordnung, durch eine Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Anordnung und dergleichen realisiert werden.
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Figurenliste
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Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleichartige Bezugszeichen gleichartige Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:
- 1 eine schematische Schnittansicht, die eine schematische Konfiguration einer Einheitszelle einer Brennstoffzelle zeigt;
- 2 eine schematische Darstellung, die eine Vorrichtung zum Ausbilden einer Katalysatorschicht zeigt, die zur Herstellung einer Membran-Elektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Anordnung (MEGA) verwendet wird;
- 3 eine schematische Darstellung, die eine Fügevorrichtung zeigt, die zur Herstellung der MEGA verwendet wird;
- 4 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen der MEGA gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht;
- 5 eine Darstellung, die die Ergebnisse eines Schälversuchs zeigt;
- 6 eine schematische Darstellung, die eine Fügevorrichtung zeigt, die zur Herstellung der MEGA gemäß einer zweiten Ausführungsform verwendet wird; und
- 7 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen der MEGA gemäß der zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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A. Erste Ausführungsform
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1 ist eine schematische Schnittdarstellung, die eine schematische Konfiguration einer Einheitszelle einer Brennstoffzelle zeigt. Die Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform ist eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die zur Stromerzeugung mit einem wasserstoffhaltigen Brenngas und einem sauerstoffhaltigen Oxidationsgas versorgt wird. Die Brennstoffzelle wird durch Stapeln einer Mehrzahl von Einheitszellen 10 gebildet.
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Die Einheitszelle 10 umfasst eine Membran-Elektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Anordnung (MEGA) 27 und ein Paar von Gasseparatoren 25, 26, zwischen denen die MEGA 27 sandwichartig angeordnet ist. Die MEGA 27 enthält eine Elektrolytmembran 20, eine Anode 21 und eine Kathode 22, bei denen es sich um Elektrodenkatalysatorschichten handelt, die auf den gegenüberliegenden Seiten der Elektrolytmembran 20 angeordnet sind, eine Gasdiffusionsschicht 23, die mit einer Oberfläche der Anode 21 auf der der Elektrolytmembran 20 gegenüberliegenden Seite verbunden ist, und eine Gasdiffusionsschicht 24, die mit einer Oberfläche der Kathode 22 auf der der Elektrolytmembran 20 gegenüberliegenden Seite verbunden ist.
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Die Elektrolytmembran 20 ist eine Ionenaustauschmembran aus einem Polymerelektrolytmaterial (Elektrolytharz) mit Protonenleitfähigkeit und weist im nassen Zustand eine gute elektrische Leitfähigkeit auf. Als Elektrolytmembran 20 kann z.B. eine Membran aus einem Perfluorsulfonsäurepolymer mit einer Sulfogruppe bzw. Sulfonsäuregruppe (-SO3H-Gruppe) an einem Seitenkettenende verwendet werden.
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Die Menge der Sulfonsäuregruppe, die in der Elektrolytmembran 20 enthalten ist, kann durch ein Äquivalentgewicht (Ew) dargestellt werden. Ew ist die Trockenmasse des Elektrolyten pro 1 Mol Sulfonsäuregruppe. Je kleiner der Wert von Ew ist, desto höher ist also die Konzentration der Sulfonsäuregruppe in der Elektrolytmembran 20. Das Ew wird z.B. durch eine Säure-Base-Titrationsmethode gemessen. Dabei kann die Einheit g/mol des Ew weggelassen werden, wie bei Ew = 800. Ew = 800 bedeutet z.B., dass Ew 800 g/mol beträgt, was bedeutet, dass die Trockenmasse des Elektrolyten pro 1 Mol Sulfonsäuregruppe 800 g beträgt.
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Die Anode 21 und die Kathode 22 enthalten jeweils Kohlenstoffpartikel, die ein katalytisches Metall tragen, das eine elektrochemische Reaktion ablaufen lässt, und Ionomere, die ein Polymerelektrolyt (Elektrolytharz) mit Protonenleitfähigkeit sind. Als Katalysatormetall kann z.B. Platin oder eine Platinlegierung aus Platin und einem anderen Metall wie Ruthenium verwendet werden. Als Ionomer kann z.B. ein Perfluorsulfonsäurepolymer mit einer Sulfogruppe bzw. Sulfonsäuregruppe (-SO3H-Gruppe) an einem Seitenkettenende verwendet werden. Das in der Anode 21 und der Kathode 22 enthaltene Ionomer kann die gleiche Art von Polymerelektrolyt sein wie der Polymerelektrolyt, der die Elektrolytmembran 20 bildet, oder kann eine andere Art von Polymerelektrolyt sein.
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Die Gasdiffusionsschichten 23, 24 bestehen jeweils aus einem Element mit Gasdurchlässigkeit und Elektronenleitfähigkeit. In der vorliegenden Ausführungsform bestehen die Gasdiffusionsschichten 23, 24 jeweils aus einem Kohlenstoffelement, wie z.B. Kohlenstoffgewebe und Kohlenstoffpapier. Eine mikroporöse Schicht (MPL) kann auf der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 23, die in Kontakt mit der Anode 21 steht, und auf der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 24, die in Kontakt mit der Kathode 22 steht, ausgebildet sein.
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Die Gasseparatoren 25, 26 bestehen jeweils aus einem gasundurchlässigen leitfähigen Element, das ein Kohlenstoffelement ist, wie z.B. komprimierter Kohlenstoff, der durch Komprimieren eines Kohlenstoffmaterials hergestellt wird, so dass das Kohlenstoffmaterial gasundurchlässig wird, oder ein Metallelement, wie z.B. formgepresster rostfreier Stahl. Eine Strömungswegnut 28 ist auf einer Oberfläche des Gasseparators 26 vorgesehen, die der Gasdiffusionsschicht 24 zugewandt ist, und eine Strömungswegnut 29 ist auf einer Oberfläche des Gasseparators 25 vorgesehen, die der Gasdiffusionsschicht 23 zugewandt ist. Ein Reaktionsgas (Oxidationsgas) strömt durch die Strömungswegnut 28 und ein Reaktionsgas (Brenngas) strömt durch die Strömungswegnut 29. Zusätzlich kann ein poröser Körper zur Bildung eines Gasströmungsweges zwischen dem Gasseparator 25 und der Gasdiffusionsschicht 23 und zwischen dem Gasseparator 26 und der Gasdiffusionsschicht 24 vorgesehen werden. In diesem Fall können die Strömungswegnuten 28, 29 weggelassen werden.
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2 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 30 zum Ausbilden einer Katalysatorschicht, die zur Herstellung der MEGA 27 verwendet wird. Die Vorrichtung 30 zum Ausbilden einer Katalysatorschicht umfasst eine erste Abwickelwalze 31, eine erste Aufwickelwalze 32, eine Auftragsdüse 33 und eine Ultraschalldüse 34.
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Die erste Abwickelwalze 31 ist eine Walze, die eine erste Bahn 70 abwickelt, wobei eine erste Oberfläche der Elektrolytmembran 20 von einer Trägerbahn 73 gelagert wird. Die erste Aufwickelwalze 32 ist eine Walze, die eine zweite Bahn 80 mit einer auf der ersten Bahn 70 ausgebildeten Katalysatorschicht 71 aufwickelt, um eine erste Rolle 120 zu bilden.
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Die Auftragsdüse 33 ist eine Düse, die Katalysatortinte auf die erste Bahn 70 sprüht, die von der ersten Abwickelwalze 31 abgewickelt wird. Eine Schicht, die aus der auf die erste Bahn 70 aufgesprühten Katalysatortinte gebildet wird, wird als Katalysatorschichtvorstufe 72 bezeichnet. Die Katalysatorschicht 71 wird durch Trocknen der Katalysatorschichtvorstufe 72 gebildet.
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Die Ultraschalldüse 34 ist eine Düse, die mit Ultraschallwellen vibrierte Luft auf die auf der ersten Bahn 70 gebildete Katalysatorschichtvorstufe 72 bläst, um die Katalysatorschichtvorstufe 72 zu trocknen. Durch Trocknen der Katalysatorschichtvorstufe 72 wird die zweite Bahn 80 mit der auf der ersten Bahn 70 gebildeten Katalysatorschicht 71 hergestellt. Die Ultraschalldüse 34 umfasst insbesondere einen Auslass 35, einen Saugabschnitt 36 und eine Heizvorrichtung 37. Während die von der Heizvorrichtung 37 erwärmte Luft mit Ultraschall vibriert bzw. zum Schwingen gebracht wird und die Luft aus dem Auslass 35 auf die Katalysatortinte geblasen wird, saugt die Ultraschalldüse 34 mit dem Saugabschnitt 36 aus der Katalysatortinte verflüchtigte Komponenten an, um die Katalysatortinte effizient zu trocknen.
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3 ist eine schematische Darstellung, die eine Fügevorrichtung 50 zeigt, die zur Herstellung der MEGA 27 verwendet wird. Die Fügevorrichtung 50 umfasst eine zweite Abwickelwalze 51, eine dritte Abwickelwalze 52 und Fügewalzen 53.
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Die zweite Abwickelwalze 51 ist eine Walze, die die zweite Bahn 80 von der ersten Rolle 120 abwickelt. Die dritte Abwickelwalze 52 ist eine Walze, die eine Gasdiffusionsschicht 74 abwickelt, die mit der zweiten Bahn 80 verbunden werden soll. Die Fügewalzen 53 sind Walzen, die die von der dritten Abwickelwalze 52 abgewickelte Gasdiffusionsschicht 74 auf die Katalysatorschicht 71 der von der zweiten Abwickelwalze 51 abgewickelten zweiten Bahn 80 stapeln, die Katalysatorschicht 71 und die Gasdiffusionsschicht 74 von gegenüberliegenden Seite her in einer Stapelrichtung sandwichartig halten und die Katalysatorschicht 71 und die Gasdiffusionsschicht 74 in der Stapelrichtung unter Erwärmung pressen, um die Katalysatorschicht 71 und die Gasdiffusionsschicht 74 zu verbinden, wodurch eine dritte Bahn 81 entsteht.
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4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen der MEGA 27 mit der in 2 gezeigten Vorrichtung 30 zum Ausbilden einer Katalysatorschicht und der in 3 gezeigten Fügevorrichtung 50 veranschaulicht.
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Bei dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform wird zunächst, während die erste Bahn 70 von der ersten Abwickelwalze 31 abgewickelt wird, die Katalysatortinte durch die Auftragsdüse 33 auf die Oberfläche der Elektrolytmembran 20, die die erste Bahn 70 bildet, aufgetragen (Schritt S110). Da die erste Oberfläche der Elektrolytmembran 20 von der Trägerbahn 73 getragen wird, wird die Katalysatortinte auf eine zweite Oberfläche der Elektrolytmembran 20 aufgetragen (Schritt S110). Infolgedessen wird die Katalysatorschichtvorstufe 72 auf der ersten Bahn 70 gebildet. Es sei angemerkt, dass Schritt S 110 als ein erster Prozess bezeichnet werden kann.
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Die Elektrolytmembran 20 der ersten Bahn 70, die von der ersten Abwickelwalze 31 abgewickelt wird, wird durch Verarbeiten eines Ionenaustauscherharzes auf Fluorbasis zu einer Streifenform hergestellt. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Elektrolytmembran 20 durch Imprägnieren einer gestreckten und porösen Polytetrafluorethylen-Bahn (PTFE-Bahn) mit einem Ionenaustauscherharz gebildet. Das heißt, die Elektrolytmembran 20 der vorliegenden Ausführungsform ist eine verstärkte Elektrolytmembran, die durch die PTFE-Bahn verstärkt ist. Die Trägerbahn 73, die die Elektrolytmembran 20 trägt, besteht aus PTFE oder ähnlichem, das eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit und chemische Beständigkeit aufweist. In dieser Ausführungsform liegt die Dicke der Elektrolytmembran 20 in einem Bereich von 5 µm bis 30 µm.
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Die Katalysatortinte wird z.B. durch Dispergieren von pulverförmigem Kohlenstoff wie Acetylenruß, der einen Katalysator aus Platin oder einer Legierung aus Platin und einem anderen Metall wie Ruthenium und Ionomere trägt, in einem Lösungsmittel wie Wasser, Alkohol usw. hergestellt.
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Als nächstes wird die in Schritt S110 auf die erste Bahn 70 aufgetragene Katalysatortinte durch die Ultraschalldüse 34 (Schritt S120) ultraschallgetrocknet. Wenn die Katalysatortinte getrocknet ist, wird die Katalysatorschicht 71 auf der ersten Bahn 70 gebildet, und somit wird die zweite Bahn 80 erzeugt. Es sei angemerkt, dass Schritt S120 als ein zweiter Prozess bezeichnet werden kann.
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Als nächstes wird die erste Rolle 120 gebildet, indem die in Schritt S120 hergestellte zweite Bahn 80 mit der ersten Aufwickelwalze 32 aufgewickelt wird (Schritt S130). Es sei angemerkt, dass der Schritt S130 als dritter Prozess bezeichnet werden kann. Die in Schritt S130 hergestellte erste Rolle 120 wird an der in 3 gezeigten zweiten Abwickelwalze 51 angebracht. Zu diesem Zeitpunkt kann ein Roboter zum Beispiel die erste Rolle 120 von der ersten Aufwickelwalze 32 abnehmen, die erste Rolle 120 unter Abstützung befördern und die erste Rolle 120 an der zweiten Abwickelwalze 51 anbringen. Es sei angemerkt, dass die Durchführung der Bearbeitung usw. während des Transports eines von einer Rolle abgewickelten Werkstücks und des erneuten Aufwickelns des Werkstücks in eine Rollenform wie in den Schritten S110 bis S120 in der vorliegenden Ausführungsform als „Rolle-zu-Rolle-Methode“ bezeichnet werden kann.
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Als nächstes wird mit den Fügewalzen 53 die von der dritten Abwickelwalze 52 abgewickelte Gasdiffusionsschicht 74 auf die Katalysatorschicht 71 der zweiten Bahn 80 gestapelt, die von der ersten Rolle 120, die an der zweiten Abwickelwalze 51 angebracht ist, abgewickelt wird, und die Katalysatorschicht 71 und die Gasdiffusionsschicht 74 werden miteinander verbunden, um die dritte Bahn 81 zu bilden (Schritt S140). In der vorliegenden Ausführungsform werden die Katalysatorschicht 71 und die Gasdiffusionsschicht 74 zusammengefügt, wobei die Fügewalzen 53 bei 140 °C gehalten werden und eine Last von 9,4 kN aufgebracht wird. Es sei angemerkt, dass der Schritt S140 als ein vierter Prozess bezeichnet werden kann. Ferner kann in der dritten Bahn 81 eine Grenzfläche zwischen dem Trägerbahn 73 und der Elektrolytmembran 20 als erste eine Grenzfläche 75 bezeichnet werden und eine Grenzfläche zwischen der Katalysatorschicht 71 und der Gasdiffusionsschicht 74 kann als zweite Grenzfläche 76 bezeichnet werden.
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Danach wird die Trägerbahn 73 von der dritten Bahn 81 abgezogen, eine weitere Katalysatorschicht wird auf der Oberfläche der dritten Bahn 81 angeordnet, von der die Trägerbahn 73 abgezogen wurde, und eine Gasdiffusionsschicht wird auf der anderen Katalysatorschicht angeordnet. Damit ist die MEGA 27 fertiggestellt. Die Einheitszelle 10 wird durch sandwichartiges Anordnen der MEGA 27 zwischen den Gasseparatoren 25, 26 hergestellt. Außerdem wird eine Brennstoffzelle durch Stapeln der Mehrzahl von Einheitszellen 10 fertiggestellt.
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5 ist eine Darstellung, die die Ergebnisse eines Schältests der dritten Bahn 81 zeigt, die mit dem in 4 gezeigten Herstellungsverfahren hergestellt wurde.
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Die folgenden drei Bahnen wurden als Proben für die Durchführung des Schältests hergestellt. Es sei angemerkt, dass Probe 3 und Probe 4 hergestellt wurden, um die Effekte aufgrund eines Unterschieds im Trocknungsverfahren zu vergleichen. Darüber hinaus wurde das Ew der Elektrolytmembran 20, die zur Herstellung jeder Probe verwendet wurde, mit der Säure-Base-Titrationsmethode gemessen.
- <Probe 1> Eine dritte Bahn, hergestellt durch das oben beschriebene Herstellungsverfahren unter Verwendung der Elektrolytmembran 20 mit Ew = 1000, wobei die Ultraschalltrocknung in Schritt S120 durchgeführt wird.
- <Probe 2> Eine dritte Bahn, hergestellt durch das oben beschriebene Herstellungsverfahren unter Verwendung der Elektrolytmembran 20 mit Ew = 800, wobei die Ultraschalltrocknung in Schritt S120 durchgeführt wird.
- <Probe 3> Eine dritte Bahn, hergestellt durch das oben beschriebene Herstellungsverfahren unter Verwendung der Elektrolytmembran 20 mit Ew = 1000, wobei in Schritt S120 eine normale Trocknung statt einer Ultraschalltrocknung durchgeführt wird.
- <Probe 4> Eine dritte Bahn, hergestellt durch das oben beschriebene Herstellungsverfahren unter Verwendung der Elektrolytmembran 20 mit Ew = 800, wobei in Schritt S120 eine normale Trocknung statt einer Ultraschalltrocknung durchgeführt wird.
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Die normale Trocknung bezieht sich auf eine Trocknung durch Erhitzen mit einer Heizvorrichtung. Konkret wurde im Trocknungsprozess von Schritt S120 die Katalysatorschichtvorstufe 72 auf der ersten Bahn 70 durch die über der ersten Bahn 70 angeordnete Heizvorrichtung erhitzt und getrocknet, so dass die Katalysatorschicht 71 auf der ersten Bahn 70 gebildet wurde. Die Oberflächentemperatur der Katalysatorschichtvorstufe 72 wurde während der normalen Trocknung auf 85 °C eingestellt. Bei der Ultraschalltrocknung wurde der Düseninnendruck auf 17 kPa eingestellt und der Saugdruck des Saugabschnitts wurde auf 0,5 kPa eingestellt. Die Oberflächentemperatur der Katalysatorschichtvorstufe 72 während der Ultraschalltrocknung wurde auf 70 °C eingestellt.
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Das in 5 gezeigte Ionomerverhältnis ist ein Verhältnis der Gewichtskonzentration der Ionomere, die auf der Seite der zweiten Grenzfläche 76 in der Katalysatorschicht 71 vorhanden sind, zur Gewichtskonzentration der Ionomere, die auf der Seite der ersten Grenzfläche 75 in der Elektrolytmembran 20 vorhanden sind. Die Gewichtskonzentration der Ionomere jeder Probe wurde durch energiedispersive Röntgenanalyse (EDX) gemessen. Die Ionomerverhältnisse von Probe 1 und Probe 2 lagen beide bei 1,7. Die Ionomerverhältnisse von Probe 3 und Probe 4 lagen beide 1,0.
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Eine erste Grenzflächenfestigkeit in 5 ist eine Schälfestigkeit an der ersten Grenzfläche 75, und eine zweite Grenzflächenfestigkeit ist eine Schälfestigkeit an der zweiten Grenzfläche 76. Die Schälfestigkeit an jeder Grenzfläche jeder Probe wurde durch einen 90°-Schältest gemessen. Bei Probe 1 und Probe 3, die unter Verwendung der Elektrolytmembran 20 mit Ew = 1000 hergestellt wurden, war die zweite Grenzflächenfestigkeit größer als die erste Grenzflächenfestigkeit. Bei Probe 4 war die zweite Grenzflächenfestigkeit kleiner als die erste Grenzflächenfestigkeit. Bei Probe 2 war die zweite Grenzflächenfestigkeit größer als die erste Grenzflächenfestigkeit, obwohl die Elektrolytmembran mit Ew = 800 wie bei Probe 4 verwendet wurde.
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Aus den obigen Ergebnissen geht hervor, dass in Probe 3 und Probe 4 die Ionomere aufgrund der Ultraschalltrocknung in der Katalysatorschicht 71 zur zweiten Grenzflächenseite hin abgeschieden wurden und die Ionomere, die zur zweiten Grenzflächenseite hin abgeschieden wurden, mit der Gasdiffusionsschicht 74 wechselwirkten, so dass die zweite Grenzflächenfestigkeit verbessert wurde.
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Die erste Grenzflächenfestigkeit von Probe 2 war größer als die erste Grenzflächenfestigkeit von Probe 1. Die erste Grenzflächenfestigkeit von Probe 4 war größer als die erste Grenzflächenfestigkeit von Probe 3. Dies wird auf die Tatsache zurückgeführt, dass die Menge der Sulfonsäuregruppe, die in den Elektrolytmembranen 20 von Probe 2 und Probe 4 enthalten war, grösser war als die Menge der Sulfonsäuregruppe, die in den Elektrolytmembranen 20 von Probe 1 und Probe 3 enthalten war, so dass die Wechselwirkung zwischen der Elektrolytmembran 20 und der Trägerbahn 73 an der ersten Grenzfläche 75 in Probe 2 und Probe 4 gefördert wurde.
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Je niedriger das Ew der Elektrolytmembran 20 ist, desto größer ist die Menge der in der Elektrolytmembran 20 enthaltenen Sulfonsäuregruppe, so dass die erste Grenzflächenfestigkeit verbessert wird. Durch die Herstellung der MEGA 27 unter Verwendung der Elektrolytmembran 20 mit einem solchen Ew, dass die erste Grenzflächenfestigkeit der MEGA 27, die durch das obige Herstellungsverfahren erzeugt wird, kleiner ist als die zweite Grenzflächenfestigkeit, ist es also möglich, das Auftreten eines Abschälens an der zweiten Grenzfläche 76 wirksam zu unterdrücken, wenn die Trägerbahn 73 von der Elektrolytmembran 20 abgezogen wird.
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Selbst wenn die zweite Grenzflächenfestigkeit und die erste Grenzflächenfestigkeit gleich sind oder die zweite Grenzflächenfestigkeit kleiner als die erste Grenzflächenfestigkeit ist, ist es möglich, das Auftreten eines Abschälens an der zweiten Grenzfläche 76 zu unterdrücken, wenn die Trägerbahn 73 von der Elektrolytmembran 20 abgezogen wird, indem die erste Grenzflächenfestigkeit durch Ultraschalltrocknung im obigen Herstellungsverfahren relativ klein gemacht wird.
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Bei dem oben beschriebenen Verfahren zum Herstellen der Membran-Elektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Anordnung nach der vorliegenden Ausführungsform wird die zweite Bahn 80 durch Trocknen der Katalysatorschichtvorstufe 72 mittels Ultraschalltrocknung hergestellt. Durch die Ultraschalltrocknung entmischen sich also die in der Katalysatortinte enthaltenen Ionomere zur Seite der zweiten Grenzflächen in der Katalysatorschicht 71 und die entmischten bzw. abgeschiedenen Ionomere interagieren mit der Gasdiffusionsschicht 74, so dass die Schälfestigkeit der zweiten Grenzfläche verbessert werden kann. Durch die Verbesserung der Schälfestigkeit der zweiten Grenzfläche 76 kann die relative Schälfestigkeit der ersten Grenzfläche 75 verringert werden, und beim Ablösen der Trägerbahn 73 kann das Auftreten eines Abschälens an der zweiten Grenzfläche 76 unterdrückt werden.
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Durch die Herstellung der MEGA 27 unter Verwendung der Elektrolytmembran 20 mit einem solchen Ew, dass die erste Grenzflächenfestigkeit der nach dem obigen Herstellungsverfahren hergestellten MEGA 27 kleiner ist als die zweite Grenzflächenfestigkeit, ist es außerdem möglich, das Auftreten eines Abschälens an der zweiten Grenzfläche 76 wirksam zu unterdrücken, wenn die Trägerbahn 73 von der Elektrolytmembran 20 abgezogen wird.
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B. Zweite Ausführungsform
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6 ist eine schematische Darstellung einer Fügevorrichtung 50b zur Herstellung der MEGA 27 in einer zweiten Ausführungsform. Die Fügevorrichtung 50b enthält zusätzlich zu der Konfiguration der Fügevorrichtung 50 der ersten Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, ferner eine zweite Aufwickelwalze 55, eine vierte Abwickelwalze 56 und eine dritte Aufwickelwalze 57. In der zweiten Ausführungsform ist die Konfiguration der Vorrichtung 30 zum Ausbilden einer Katalysatorschicht die gleiche wie in der ersten Ausführungsform, so dass deren Beschreibung weggelassen wird.
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Die zweite Aufwickelwalze 55 ist eine Walze, die die Trägerbahn 73 von der dritten Bahn 81 abzieht und die Trägerbahn 73 aufwickelt. Die vierte Abwickelwalze 56 ist eine Walze, die eine Gleitbahn 79 abwickelt. Die dritte Aufwickelwalze 57 ist eine Walze, die eine vierte Bahn 82 aufwickelt, die durch Abziehen der Trägerbahn 73 von der dritten Bahn 81 hergestellt wurde, während die von der vierten Abwickelwalze 56 abgewickelte Gleitbahn 79 auf die vierte Bahn 82 gestapelt wird, so dass die Gleitbahn 79 sandwichartig zwischen den Oberflächen benachbarter Windungen der vierten Bahn 82 liegt. Die Gleitbahn 79 unterdrückt das Verkleben der Oberflächen benachbarter Windungen der vierten Bahn 82 und schützt die Oberflächen der vierten Bahn 82.
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7 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung der MEGA 27 gemäß der zweiten Ausführungsform veranschaulicht. Es sei angemerkt, dass die Schritte S210 bis S240 die gleichen sind wie die Schritte S110 bis S140 in der in 4 gezeigten ersten Ausführungsform, so dass deren Beschreibung weggelassen wird.
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Mit der zweiten Aufwickelwalze 55 wird die Trägerbahn 73 von der in Schritt S240 gebildeten dritten Bahn 81 abgezogen und aufgewickelt (Schritt S250). Zu diesem Zeitpunkt wird die Trägerbahn 73 von der dritten Bahn 81 abgezogen, so dass die vierte Bahn 82 gebildet wird.
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Die vierte Bahn 82 wird von der dritten Aufwickelwalze 57 aufgewickelt, um eine zweite Rolle 130 zu bilden (Schritt S260). Zu diesem Zeitpunkt wird die zweite Rolle 130 gebildet, während die Gleitbahn 79 auf die vierte Bahn 82 gestapelt wird, so dass die Gleitbahn 79 sandwichartig zwischen den Oberflächen benachbarter Windungen der vierten Bahn 82 liegt. Auf diese Weise wird die Gleitbahn 79 zwischen die Oberflächen benachbarter Windungen der vierten Bahn 82 gelegt. Es sei angemerkt, dass die Schritte S240 bis S260 in der vorliegenden Ausführungsform Prozesse der Rolle-zu-Rolle-Methode sind.
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Bei dem oben beschriebenen Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Anordnung gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die vierte Bahn 82 durch Abziehen der Trägerbahn 73 von der dritten Bahn 81 gebildet und die vierte Bahn 82 wird zu einer Rollenform gewickelt, um die zweite Rolle 130 zu bilden. Daher ist es möglich, das Auftreten eines Abschälens zwischen der Katalysatorschicht 71 und der Gasdiffusionsschicht 74 zu unterdrücken, wenn die Trägerbahn 73 von der dritten Bahn 81 abgezogen wird, während die dritte Bahn 81 transportiert wird.
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C. Andere Ausführungsformen:
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- (C1) In der obigen Ausführungsform wird die erste Bahn 70 von der ersten Abwickelwalze 31 abgewickelt. Die erste Abwickelwalze 31 braucht jedoch nicht vorgesehen zu werden. Beispielsweise kann die Katalysatortinte auf die erste Bahn 70 gesprüht werden, während die erste Bahn 70, die nicht zu einer Rolle gewickelt ist und eine Dünnfilmform aufweist, transportiert wird.
- (C2) In der obigen Ausführungsform wickelt in Schritt S260 die dritte Aufwickelwalze 57 die vierte Bahn 82 mit der darauf gestapelten Gleitbahn 79 so auf, dass die Gleitbahn 79 zwischen den Oberflächen benachbarter Windungen der vierten Bahn 82 liegt, so dass die zweite Rolle 130 entsteht. Die Gleitbahn 79 muss jedoch nicht sandwichartig zwischen den Oberflächen benachbarter Windungen der vierten Bahn 82 angeordnet werden, wenn die zweite Rolle 130 gebildet wird. Zum Beispiel kann die dritte Wickelrolle 57 die vierte Bahn 82 aufwickeln, ohne die Gleitbahn 79 zur Bildung der zweiten Rolle 130 aufzuwickeln.
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Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann in verschiedenen Konfigurationen ausgeführt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. So können z.B. die technischen Merkmale in den Ausführungsformen, die den technischen Merkmalen in den in der Kurzfassung der Erfindung beschriebenen Aspekten entsprechen, in geeigneter Weise ersetzt oder kombiniert werden, um die oben genannten Probleme zu lösen oder um einen Teil oder alle der oben genannten Wirkungen zu erzielen. Darüber hinaus können die technischen Merkmale, sofern sie hier nicht als wesentlich beschrieben sind, gegebenenfalls weggelassen werden.
