DE102020212539A1 - Verfahren zum Herstellen einer Elektrolytmembran für Brennstoffzellen mit verbesserter Haltbarkeit - Google Patents

Verfahren zum Herstellen einer Elektrolytmembran für Brennstoffzellen mit verbesserter Haltbarkeit Download PDF

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Kia Corp
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Hyundai Motor Co
Kia Motors Corp
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Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrolytmembran für Brennstoffzellen, die in der Lage ist, Wasserstoff und/oder Luft effektiv zu entfernen. Das Verfahren umfasst insbesondere das Auftragen einer Aufschlämmung, die wenigstens ein Ionomer umfasst, auf ein Substrat, um eine Ionenübertragungsschicht herzustellen, das Herstellen eines Laminats, welches das Substrat und die Ionenübertragungsschicht umfasst, und das Bereitstellen eines Paars von Laminaten, um eine Elektrolytmembran zu bilden, wobei die Ionenübertragungsschicht einen Katalysatorbereich aufweist, der auf einer Seite davon basierend auf einer Mittellinie in Breitenrichtung davon ausgebildet ist, wobei der Katalysatorbereich einen Katalysator umfasst.

Description

  • HINTERGRUND
  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrolytmembran für Brennstoffzellen, die in der Lage ist, überkreuzenden Wasserstoff und/oder Luft wirksam zu entfernen.
  • Stand der Technik
  • Als Brennstoffzelle für Fahrzeuge wird im Allgemeinen eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) eingesetzt. Damit die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle normal unter verschiedenen Fahrbedingungen eines Fahrzeugs eine hohe Ausgangsleistung von wenigstens einigen zehn kW aufweist, muss die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle in einem weiten Stromdichtebereich stabil betrieben werden.
  • Die Reaktion zur Erzeugung von Elektrizität in der Brennstoffzelle findet an einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA) statt, die eine Elektrolytmembran auf Basis von perfluorierter Sulfonsäure (PFSA) und eine Anode/Kathode umfasst. Der der Anode, die eine Oxidationselektrode ist, zugeführte Wasserstoff wird in Protonen und Elektronen aufgeteilt. Die Protonen bewegen sich durch die Membran zur Kathode, die eine Reduktionselektrode ist, und die Elektronen bewegen sich durch einen externen Stromkreis zur Kathode. An der Kathode reagieren Sauerstoffmoleküle, die Protonen und die Elektronen miteinander, um Elektrizität zu erzeugen und als Reaktionsnebenprodukte werden Wasser (H2O) und Wärme erzeugt.
  • Wasserstoff und Luft (Sauerstoff), die Reaktionsgase der Brennstoffzelle, können sich in der Elektrolytmembran überkreuzen. Zu diesem Zeitpunkt kann Wasserstoffperoxid (HOOH) entstehen. Wenn das Wasserstoffperoxid (HOOH) in sauerstoffhaltige Radikale, wie z.B. ein Hydroxylradikal (-OH) und ein Hydroperoxylradikal (-OOH), zersetzt wird, greifen die Radikale die Elektrolytmembran an, wodurch eine chemische Zersetzung der Elektrolytmembran verursacht wird und schließlich die Lebensdauer der Brennstoffzelle verringert wird.
  • Um das obige Problem zu lösen, wurde in den letzten Jahren ein Verfahren entwickelt, bei dem ein Katalysator auf Edelmetallbasis, wie z.B. Platin (Pt), zu einer Elektrolytmembran hinzugefügt wird, um Wasserstoff und Luft (Sauerstoff) zu entfernen, die sich durch Reaktion zu Wasser überkreuzen.
  • Die obigen Informationen, die in diesem Hintergrundabschnitt offenbart sind, dienen nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Offenbarung und können daher Informationen umfassen, die nicht zum Stand der Technik gehören, der in diesem Land einer Person mit gewöhnlichen Kenntnissen auf diesem Gebiet bereits bekannt ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
  • Die vorliegende Offenbarung wurde in dem Bemühen gemacht, die oben beschriebenen Probleme im Zusammenhang mit dem Stand der Technik zu lösen.
  • Gegenstand der vorliegenden Offenbarung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das in der Lage ist, die Haltbarkeit einer Elektrodenmembran so zu erhalten, dass diese gleich oder höher als die Haltbarkeit einer herkömmlichen Elektrodenmembran ist, während gleichzeitig die Menge eines Katalysators auf Edelmetallbasis, wie z.B. Platin, reduziert wird.
  • Die Ziele der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf die oben beschriebenen beschränkt. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung wird aus der folgenden Beschreibung klar ersichtlich sein und könnte durch in den Ansprüchen definierte Mittel und ein Kombination davon umgesetzt werden.
  • Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrolytmembran für Brennstoffzellen bereit, wobei das Verfahren umfasst, Aufbringen einer Aufschlämmung, die wenigstens ein Ionomer umfasst, auf ein Substrat, um eine Ionenübertragungsschicht herzustellen, Herstellen eines Laminats, welches das Substrat und die Ionenübertragungsschicht umfasst, und Bereitstellen eines Paares von Laminaten zur Bildung einer Elektrolytmembran, wobei die Ionenübertragungsschicht einen Katalysatorbereich aufweist, der auf wenigstens einer Seite davon basierend auf einer Mittellinie in Breitenrichtung davon ausgebildet ist, wobei der Katalysatorbereich einen Katalysator umfasst.
  • Der Katalysatorbereich kann von einem Ende der Ionenübertragungsschicht bis zu einer Grenzlinie ausgebildet werden, die von dem einen Ende in Richtung der Mittellinie in Breitenrichtung um einen vorbestimmten Abstand beabstandet ist.
  • Die Breite des Katalysatorbereichs kann gleich oder weniger als die 1/2 der Breite der Ionenübertragungsschicht sein.
  • Die Ionenübertragungsschicht kann unter Verwendung einer Beschichtungsdüse hergestellt werden und eine Aufschlämmung, die ein Ionomer und einen Katalysator umfasst, kann durch einen Abschnitt einer Düse eines Düsenkopfes, der in der Beschichtungsdüse vorgesehenen ist, ausgegeben werden, um den Katalysatorbereich zu bilden.
  • Der Katalysator kann einen Katalysator umfassen, der aus der Gruppe von Platin (Pt), Gold (Au), Palladium (Pd), Silber (Ag), Osmium (Os), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru) oder einer Kombination davon ausgewählt ist.
  • Das Substrat kann Trennpapier umfassen, das aus der Gruppe von Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylennaphthalat (PEN), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyimid (PI), Polypropylen (PP) oder einer Kombination davon ausgewählt ist.
  • Das Paar von Laminaten kann so vorgesehen werden, dass die in den Ionenübertragungsschichten umfassten Katalysatorbereiche an gegenüberliegenden Bereichen angeordnet sind, um die Elektrolytmembran zu bilden.
  • Das Paar von Laminaten kann so vorgesehen werden, dass die in den Ionenübertragungsschichten umfassten Katalysatorbereiche an den gleichen Bereichen angeordnet sind, um die Elektrolytmembran zu bilden.
  • Die Laminate können um Rollen gewickelt werden, wobei eine äußere Oberflächenrolle, auf welche die Ionenübertragungsschicht so gewickelt ist, dass diese nach außen weist, und eine innere Oberflächenrolle, auf welche die Ionenübertragungsschicht so gewickelt ist, dass diese nach innen weist, vorbereitet werden können, und die Ionenübertragungsschichten einander berühren, wodurch die Katalysatorbereiche an den gleichen Bereichen angeordnet sind.
  • Eine erste Ionenübertragungsschicht mit einem Katalysatorbereich, der auf deren einen Seite basierend auf deren Mittellinie in Breitenrichtung gebildet ist, und eine zweite Ionenübertragungsschicht mit einem Katalysatorbereich, der auf deren anderer Seite basierend auf deren Mittellinie in Breitenrichtung gebildet ist, können ausgebildet werden, und die erste Ionenübertragungsschicht und die zweite Ionenübertragungsschicht können so laminiert werden, dass diese einander berühren, so dass die Katalysatorbereiche in denselben Bereichen angeordnet sind.
  • Das Verfahren kann zudem das Bereitstellen einer porösen Verstärkungsschicht auf der Ionenübertragungsschicht umfassen, so dass die Ionenübertragungsschicht mit der Verstärkungsschicht imprägniert wird.
  • Die Verstärkungsschicht kann eine Schicht umfassen, die aus der Gruppe von Polytetrafluorethylen (PTFE), expandiertem Polytetrafluorethylen (e-PTFE), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyphenylenoxid (PPO), Polybenzimidazol (PBI), Polyimid (PI), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyvinylchlorid (PVC) oder einer Kombination davon ausgewählt ist.
  • In einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle bereit, wobei das Verfahren umfasst, Ausbilden von Elektrodenschichten auf gegenüberliegenden Oberflächen der Elektrolytmembran, um eine Membran-Elektroden-Anordnung zu erhalten, und Koppeln der Membran-Elektroden-Anordnung und einer Dichtung so miteinander, dass die Katalysatorbereiche der Elektrolytmembran an der Wasserstoffeintritts- und Lufteintrittsseite angeordnet sind.
  • Figurenliste
  • Das Obige und andere Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden nun ausführlich unter Bezugnahme auf bestimmte exemplarische Ausführungsformen davon beschrieben, die in den begleitenden Abbildungen dargestellt sind, die im Folgenden nur zur Veranschaulichung angegeben werden und daher nicht beschränkend für die vorliegende Offenbarung sind, und wobei
    • 1 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrolytmembran für Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 2A eine perspektivische Ansicht ist, die schematisch eine Ionenübertragungsschicht gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 2B eine Schnittdarstellung entlang der Linie C-C' in 2A ist;
    • 3 eine Ansicht ist, die schematisch eine in der vorliegenden Offenbarung verwendbare Beschichtungsdüse zeigt;
    • 4 eine Schnittdarstellung ist, die eine weitere Ausführungsform der Ionenübertragungsschicht gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 5A, 5B, 5C und 5D Referenzansichten sind, die eine erste Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen der Elektrolytmembran für Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigen;
    • 6A eine Draufsicht ist, die eine Brennstoffzelle zeigt, die unter Verwendung der Elektrolytmembran erhalten wurde, die gemäß der ersten Ausführungsform hergestellt wurde;
    • 6B eine Ansicht der Brennstoffzelle von unten ist;
    • 7A, 7B, 7C und7D Referenzansichten sind, die eine zweite Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen der Elektrolytmembran für Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigen;
    • 8A, 8B, 8C und 8D Referenzansichten sind, die eine dritte Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen der Elektrolytmembran für Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigen;
    • 9A eine Draufsicht ist, die eine Brennstoffzelle zeigt, die unter Verwendung der Elektrolytmembran erhalten wurde, die gemäß der zweiten oder dritten Ausführungsform hergestellt wurde;
    • 9B eine Ansicht der Brennstoffzelle von unten ist; und
    • 10 eine Schnittdarstellung ist, die eine weitere Ausführungsform der Elektrolytmembran gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
  • Es sollte verstanden werden, dass die beigefügten Abbildungen nicht unbedingt maßstabsgerecht sind und eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener bevorzugter Merkmale darstellen, welche die Grundprinzipien der Offenbarung veranschaulichen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Offenbarung, wie diese hierin offenbart sind, einschließlich z.B. spezifische Abmessungen, Ausrichtungen, Positionen und Formen, werden zum Teil durch die besondere beabsichtigte Anwendung und Verwendungsumgebung bestimmt.
  • In den Figuren beziehen sich die Bezugsziffern in den verschiedenen Figuren auf die gleichen oder äquivalente Teile der vorliegenden Offenbarung der Abbildungen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die oben beschriebenen Ziele sowie andere Ziele, Merkmale und Vorteile werden anhand der nachfolgenden bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen eindeutig verstanden. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf die Ausführungsformen beschränkt und wird in verschiedenen Formen ausgeführt. Die Ausführungsformen werden nur vorgeschlagen, um ein gründliches und vollständiges Verständnis des offenbarten Inhalts bereitzustellen und den Fachmann ausreichend über das technische Konzept der vorliegenden Offenbarung zu informieren.
  • Gleiche Bezugsziffern beziehen sich auf gleiche Elemente in der gesamten Beschreibung der Abbildungen. In den Abbildungen sind die Größen der Strukturen aus Gründen der Klarheit übertrieben dargestellt. Es wird davon ausgegangen, dass, obwohl die Begriffe „erste“, „zweite“ usw. hierin zur Beschreibung verschiedener Elemente verwendet werden können, entsprechende Elemente nicht so verstanden werden sollten, dass diese durch diese Begriffe, die nur zur Unterscheidung eines Elements von einem anderen verwendet werden, beschränkt werden. Zum Beispiel kann innerhalb des durch die vorliegende Offenbarung definierten Bereichs ein erstes Element als ein zweites Element bezeichnet werden und ebenso kann ein zweites Element als ein erstes Element bezeichnet werden. Singularformen sollen auch Pluralformen umfassen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor.
  • Es wird weiter vorausgesetzt, dass die Begriffe „umfasst“, „aufweist“ und dergleichen, wenn diese in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten oder Kombinationen davon angeben, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten oder Kombinationen davon ausschließen. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass, wenn ein Element wie eine Schicht, ein Film, ein Bereich oder ein Substrat als „auf“ einem anderen Element bezeichnet wird, es sich direkt auf dem anderen Element befinden kann oder ein dazwischen liegendes Element ebenfalls vorhanden sein kann. Wenn ein Element wie eine Schicht, ein Film, ein Bereich oder ein Substrat als „unter“ einem anderen Element bezeichnet wird, kann es sich direkt unter dem anderen Element befinden oder es kann auch ein dazwischenliegendes Element vorhanden sein.
  • Sofern aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht, sind alle Zahlen, Abbildungen und/oder Ausdrücke, die Inhaltsstoffe, Reaktionsbedingungen, Polymerzusammensetzungen und Mengen von Mischungen darstellen, die in der Beschreibung verwendet werden, Näherungswerte, die verschiedene Messunsicherheiten widerspiegeln, die unter anderem bei der Ermittlung dieser Zahlen inhärent auftreten. Aus diesem Grund sollte verstanden werden, dass der Begriff „etwa“ in allen Fällen alle Zahlen, Abbildungen und/oder Ausdrücke modifizieren sollte. Wenn in der Beschreibung numerische Bereiche angegeben werden, sind diese Bereiche außerdem fortlaufend und umfassen alle Zahlen vom Minimum bis zum Maximum einschließlich des Maximums innerhalb des Bereichs, sofern nicht anders definiert. Wenn sich der Bereich auf eine ganze Zahl bezieht, umfasst dieser außerdem alle ganzen Zahlen vom Minimum bis zum Maximum einschließlich des Maximums innerhalb des Bereichs, sofern nicht anders definiert.
  • 1 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrolytmembran für Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt. Bezugnehmend auf diese umfasst das Verfahren das Beschichten eines Substrats mit wenigstens einem Ionomer zum Herstellen einer Ionenübertragungsschicht S10, Herstellen eines Laminats mit dem Substrat und der Ionenübertragungsschicht S20 und Bereitstellen eines Paares von Laminaten zur Bildung einer Elektrolytmembran bei S30.
  • 2A ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Ionenübertragungsschicht 22 gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt. 2B ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie C-C' in 2A. Bezugnehmend auf diese kann die Ionenübertragungsschicht 22 einen Katalysatorbereich A aufweisen, der auf einer Seite von dieser basierend auf einer Mittellinie L0 in Breitenrichtung von dieser gebildet ist, wobei der Katalysatorbereich A einen Katalysator umfasst. Der Katalysatorbereich A umfasst nicht nur die Oberfläche der Ionenübertragungsschicht 22, sondern auch ein in Dickenrichtung verlaufendes Inneres der Ionenübertragungsschicht 22. Die Mittellinie L0 in Breitenrichtung ist eine imaginäre Linie, die durch Verbinden von Mittelpunkten in Breitenrichtung an bestimmten Punkten der Ionenübertragungsschicht 22 gebildet wird. Darüber hinaus kann die Mittellinie L0 in Breitenrichtung eine Mittellinie eines Laminats 20 in Breitenrichtung sein, die nachfolgend beschrieben wird. In diesem Fall kann die Mittellinie L0 in Breitenrichtung eine imaginäre Linie sein, die durch Verbinden von Mittenpunkten in Breitenrichtung an bestimmten Punkten des Laminats 20 gebildet wird.
  • Der verbleibende Abschnitt der Ionenübertragungsschicht 22, mit Ausnahme der Katalysatorbereich A, wird als Nicht-Katalysatorbereich B bezeichnet. In 2A sind der Katalysatorbereich A und der Nicht-Katalysatorbereich B durch eine gerade Linie sehr deutlich voneinander getrennt, was jedoch zum besseren Verständnis angegeben ist. Beide Bereiche können, wie in 2B gezeigt, voneinander getrennt sein oder diese können entlang eines leicht schwankenden Profils voneinander getrennt sein oder diese können etwas undeutlich voneinander getrennt sein, während der Katalysator einen Konzentrationsgradienten aufweist. Die Ionenübertragungsschicht 22 weist gemäß der vorliegenden Offenbarung einen Katalysatorbereich A auf, der auf einer Seite von dieser basierend auf der Mittellinie L0 in Breitenrichtung von dieser gebildet ist. Verschiedene Formen, die dies erfüllen, fallen in den Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung.
  • Der Katalysatorbereich A kann von einem Ende L1 der Ionenübertragungsschicht 22 bis zu einer Grenzlinie L2 gebildet sein, die von dem Ende L1 in Richtung der Mittellinie L0 in Breitenrichtung um einen vorbestimmten Abstand beabstandet ist. In diesem Fall kann die Breite des Katalysatorbereichs A, d.h. der Abstand vom Ende L1 zur Grenzlinie L2, 1/2 oder weniger der Breite W der Ionenübertragungsschicht 22 sein. Wenn die Breite des Katalysatorbereichs A mehr als 1/2 der Breite W der Ionenübertragungsschicht 22 ist, ist es schwierig, den Effekt der Verringerung der Menge des verwendeten Katalysators zu maximieren.
  • Die Ionenübertragungsschicht 22 kann unter Verwendung einer Beschichtungsdüse hergestellt werden. 3 ist eine schematische Darstellung der Beschichtungsdüse 60. Unter Bezugnahme auf 3 wird eine Aufschlämmung, die einen Katalysator und ein Ionomer umfasst, auf ein Substrat 21 durch einen Abschnitt einer Düse 62 eines Düsenkopfes 61, der in der Beschichtungsdüse 60 vorgesehen ist, abgegeben, und gleichzeitig wird Aufschlämmung, die wenigstens ein Ionomer umfasst, auf das Substrat 21 durch den verbleibenden Teil der Düse 62 ausgegeben, wodurch eine Ionenübertragungsschicht 22 mit dem Katalysatorbereich A und dem Nicht-Katalysatorbereich B hergestellt werden kann.
  • Das konkrete Mittel ist nicht besonders beschränkt. Eine Vielzahl von Aufschlämmungszuführteilen 63 können in Breitenrichtung des Substrats 21 angeordnet sein und Aufschlämmung umfassend einen Katalysator und einen Ionomer kann in einige der Aufschlämmungszuführteilen 63 eingeführt werden, um den Katalysatorbereich A zu bilden.
  • Der Katalysator ist nicht besonders beschränkt, solange der Katalysator ausreichend aktiv ist, um Wasserstoff und Luft, die sich in der Elektrolytmembran überkreuzen, miteinander reagieren zu lassen. Zum Beispiel kann der Katalysator ein Element umfassen, das aus der Gruppe von Platin (Pt), Gold (Au), Palladium (Pd), Silber (Ag), Osmium (Os), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru) oder einer Kombination davon ausgewählt ist.
  • Das Ionomer kann ein Polymer mit einer protonenleitenden funktionellen Gruppe umfassen. Die protonenleitende funktionelle Gruppe kann Sulfonsäure, Sulfonat, Carbonsäure, Carboxylat, Phosphorsäure und Phosphat umfassen. Zum Beispiel kann das Ionomer umfassen ein perfluoriertes Sulfonsäureionomer (PFSA) umfassend die protonenleitende funktionelle Gruppe.
  • Die Aufschlämmung, die den Nicht-Katalysatorbereich B bildet, kann wenigstens ein Ionomer und darüber hinaus ein Antioxidans umfassen. Zum Beispiel kann das Antioxidationsmittel Antioxidationsmittel auf der Basis von Cer- oder Terephthalsäure umfassen, wie Ceroxid oder Ceroxid und Cer(III)-nitrathexahydrat. Das Antioxidationsmittel wird dem Nicht-Katalysatorbereich B, in dem der Katalysator nicht vorhanden ist, zugeführt, um eine sehr kleine Menge Gas zu verarbeiten, die nicht aus dem Katalysatorbereich A entfernt wurde.
  • Das Substrat 21 kann Trennpapier umfassen, das aus der Gruppe von Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylennaphthalat (PEN), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyimid (PI), Polypropylen (PP) oder einer Kombination davon ausgewählt ist.
  • 4 ist eine Schnittdarstellung, die eine weitere Ausführungsform der Ionenübertragungsschicht 22 gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt. In die Ionenübertragungsschicht 22 kann eine poröse Verstärkungsschicht 30 eingefügt sein. Folglich kann das Verfahren weiterhin das Bereitstellen der porösen Verstärkungsschicht 30 auf der Ionenübertragungsschicht 22 umfassen, so dass die Ionenübertragungsschicht 22 mit der Verstärkungsschicht 30 imprägniert wird.
  • Die Verstärkungsschicht 30 wird vorgesehen, um die mechanische Steifigkeit der Elektrolytmembran zu erhöhen. Die Verstärkungsschicht 30 kann ein Material umfassen, das aus der Gruppe von Polytetrafluorethylen (PTFE), expandiertem Polytetrafluorethylen (e-PTFE), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyphenylenoxid (PPO), Polybenzimidazol (PBI), Polyimid (PI), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyvinylchlorid (PVC) oder einer Kombination davon ausgewählt ist und kann eine poröse Membran mit einer Vielzahl von Poren sein.
  • Die Größe der Poren der Verstärkungsschicht 30 kann größer sein als die Größe der Partikel des Katalysators, des Ionomers und des Antioxidationsmittels, so dass die Verstärkungsschicht 30 mit dem Katalysator und dem Antioxidationsmittel imprägniert werden kann.
  • Ein Laminat 20, das durch Bildung der Ionenübertragungsschicht 22 auf dem Substrat 21 erhalten wird, kann bei S20 aufgewickelt werden. Ein Paar gewickelte Rollen, von denen jede durch Aufwickeln des Laminats 20 um eine Rolle usw. erhalten wird, kann vorbereitet werden, die Rollen können so laminiert werden, dass die Ionenübertragungsschichten 22 der Laminate 20 einander gegenüberliegen und die Substrate 21 können entfernt werden, um eine Elektrolytmembran 10 in S30 herzustellen. Nachfolgend werden die oben genannten Schritte im Detail beschrieben.
  • Bei dem Verfahren wird zunächst ein Paar Laminate 20 und 20' so bereitgestellt, dass die Katalysatorbereiche A und A', die in den Ionenübertragungsschichten 22 und 22' umfasst sind, an gegenüberliegenden Bereichen angeordnet sind, um eine Elektrolytmembran 10 zu bilden, wie in den 5A bis 5D gezeigt.
  • Konkret können zunächst Laminate 20 und 20' mit auf den Substraten 21 und 21' ausgebildeten Ionenübertragungsschichten 22 und 22' hergestellt werden, wie in 5A und 5B gezeigt. Obwohl die Querschnitte der Laminate 20 und 20' in 5A und 5B zur einfacheren Beschreibung dargestellt sind, kann jedes der Laminate 20 und 20' in Form einer Rolle vorgesehen sein.
  • Anschließend können die Laminate 20 und 20' so angeordnet werden, dass die Ionenübertragungsschichten 22 und 22' einander gegenüberliegen, wie in 5C gezeigt, und können übertragen werden, während die Substrate 21 und 21' entfernt werden, um eine Elektrolytmembran 10 zu erhalten, wie in 5D gezeigt.
  • Bezugnehmend auf 5D kann gesehen werden, dass die Katalysatorbereiche A und A' an gegenüberliegenden Bereichen der Elektrolytmembran 10 angeordnet sind.
  • Ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Bildung von Elektroden auf gegenüberliegenden Oberflächen der Elektrolytmembran 10 umfassen, die mit dem in 5A bis 5D gezeigten Verfahren hergestellt wurde, um eine Membran-Elektroden-Anordnung zu erhalten, sowie das Koppeln der Membran-Elektroden-Anordnung und einer Dichtung miteinander, so dass die Katalysatorbereiche A und A' der Elektrolytmembran 10 an der Wasserstoffeinlass- und Lufteinlassseite angeordnet sind.
  • In der Brennstoffzelle ist die Menge des Gases, das die Brennstoffzelle kreuzt, an der Wasserstoffeinlass- und Lufteinlassseite am größten und die Elektrolytmembran wird an der Wasserstoffeinlass- und Lufteinlassseite am stärksten abgebaut. Die vorliegende Offenbarung ist technisch dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytmembran an der Wasserstoffeinlass- und Lufteinlassseite lokal ein Katalysator zugesetzt ist, wodurch mit einer minimalen Menge des Katalysators die maximale Wirkung erzielt wird, d.h. die Haltbarkeit der Elektrolytmembran maximiert wird.
  • 6A ist eine Draufsicht der Brennstoffzelle und 6B ist eine Ansicht von unten auf die Brennstoffzelle. Der Einfachheit halber sind die Elektroden weggelassen und nur die Elektrolytmembran 10 und die Dichtung 50 dargestellt. Darüber hinaus sind der Katalysatorbereich A von 6A und der Katalysatorbereich A' von 6B ebenfalls in der Draufsicht und der Ansicht von unten dargestellt, obwohl die Katalysatorbereiche nicht freiliegen. Die Schnittansicht von 5 hilft beim Verständnis der Struktur der Elektrolytmembran von 6A und 6B. Unter Bezugnahme auf 6A ist zu sehen, dass der Katalysatorbereich A' auf der Seite des Lufteinlasses 53 angeordnet ist. Unter Bezugnahme auf 6B ist zu sehen, dass der Katalysatorbereich A auf der Seite des Wasserstoffeinlasses 51 angeordnet.
  • Bei einem in 7A bis 7D gezeigten Verfahren wird ein Paar Laminate 20 und 20' so vorgesehen, dass die Katalysatorbereiche A und A', die in den Ionenübertragungsschichten 22 und 22' umfasst sind, an den gleichen Bereichen angeordnet sind, um eine Elektrolytmembran 10 zu bilden.
  • Konkret kann zunächst ein Laminat 20 mit einer auf einem Substrat 21 gebildeten Ionenübertragungsschicht 22 hergestellt werden, wie in 7A gezeigt. Das Laminat 20 kann um eine Rolle gewickelt werden und es kann eine äußere Oberflächenrolle 41, auf der die Ionenübertragungsschicht 22 nach außen gewickelt ist, und eine innere Oberflächenrolle 42, auf der die Ionenübertragungsschicht 22 nach innen gewickelt ist, vorbereitet werden.
  • Anschließend werden die äußere Oberflächenrolle 41 und die innere Oberflächenrolle 42 angeordnet, wie in 7B gezeigt, und die gewickelten Rollen können so laminiert werden, dass die Ionenübertragungsschichten 22 und 22' einander berühren. 7B zeigt nur einen Abschnitt jeder der Ionenübertragungsschichten 22 und 22', die zur Laminierung von den gewickelten Rollen abgewickelt werden, und das Substrat ist zur Laminierung von der inneren Oberflächenrolle 42 entfernt.
  • Das heißt, die beiden gewickelten Rollen 41 und 42 sind, wie in 7B gezeigt, so angeordnet, das diese in dem in 7C gezeigten Zustand angeordnet sind. In diesem Zustand werden beide gewickelten Rollen übertragen, während das Substrat 21 entfernt wird, um die Elektrolytmembran 10 zu erhalten, wie in 7D gezeigt.
  • Unter Bezugnahme auf 7D ist zu erkennen, dass die Katalysatorbereiche A und A' der Elektrolytmembran 10 an Bereichen angeordnet sind, die in die gleiche Richtung orientiert sind.
  • Um eine Elektrolytmembran 10 zu erhalten, die eingerichtet ist, dass die Katalysatorbereiche A und A' an den gleichen Bereichen angeordnet sind, kann die Elektrolytmembran 10 außerdem durch folgendes Verfahren hergestellt werden. Bei diesem Verfahren werden zunächst Laminate 20 und 20' hergestellt, die eine erste Ionenübertragungsschicht 22 mit einem auf einer Seite von dieser gebildeten Katalysatorbereich A, wie in 8A gezeigt, und eine zweite Ionenübertragungsschicht 22' mit einem auf der anderen Seite von dieser gebildeten Katalysatorbereich A', wie in 8B gezeigt, umfassen.
  • Anschließend können die Laminate 20 und 20' so angeordnet werden, dass die Ionenübertragungsschichten 22 und 22' einander gegenüberliegen, wie in 8C gezeigt, und übertragen werden können, während die Substrate 21 und 21' entfernt werden, um eine Elektrolytmembran 10 zu erhalten, wie in 8D gezeigt.
  • Bezugnehmend auf 8D ist zu sehen, dass die Katalysatorbereiche A und A' der Elektrolytmembran 10 an Bereichen angeordnet sind, die in die gleiche Richtung orientiert sind.
  • Ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Bildung von Elektroden auf gegenüberliegenden Oberflächen der Elektrolytmembran 10 umfassen, die nach dem in 7A bis 7D oder 8A bis 8D gezeigten Verfahren hergestellt wurde, um eine Membran-Elektroden-Anordnung zu erhalten, sowie das Koppeln der Membran-Elektroden-Anordnung und einer Dichtung miteinander, so dass die Katalysatorbereiche A und A' der Elektrolytmembran 10 an der Wasserstoffeinlass- und Lufteinlassseite angeordnet sind.
  • 9A ist eine Draufsicht auf die Brennstoffzelle und 9B ist eine Ansicht von unten auf die Brennstoffzelle. Der Einfachheit halber sind die Elektroden weggelassen und nur die Elektrolytmembran 10 und die Dichtung 50 sind dargestellt. Unter Bezugnahme auf 9A ist zu sehen, dass der Katalysatorbereich A' auf der Seite des Wasserstoffeinlasses 51 angeordnet ist. Aus 9B ist ersichtlich, dass der Katalysatorbereich A auf der Seite des Lufteinlasses 53 angeordnet ist.
  • In der Brennstoffzelle können der Wasserstoffeinlass 51 und der Lufteinlass 53 je nach Ausführung unterschiedlich angeordnet sein. Durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, verschiedene Elektrolytmembranen 10 unter Verwendung eines einzigen Laminattyps 20 herzustellen, wobei es möglich ist, flexibel einer Änderung der Lage und Anordnung des Wasserstoffeinlasses 51 und des Lufteinlasses 53 zu entsprechen.
  • Im Fall der Anwendung der Elektrolytmembran 10 in einer Brennstoffzelle mit geringer Leistung, bei der eine geringe Menge Gas übertragen wird, kann der Katalysatorbereich A nur an einer der in einem Laminatpaar umfassenden Ionenübertragungsschichten gebildet sein, z.B. an einer Ionenübertragungsschicht 22, wie in 10 dargestellt, wodurch es möglich ist, die Menge des verwendeten Katalysators zu reduzieren.
  • Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, ist es gemäß der vorliegenden Offenbarung möglich, die Haltbarkeit einer Elektrodenmembran so zu erhalten, dass diese gleich oder höher als die Haltbarkeit einer herkömmlichen Elektrodenmembran ist und gleichzeitig die Menge eines Katalysators auf Edelmetallbasis, wie z.B. Platin, zu reduzieren, wodurch es möglich ist, die preisliche Wettbewerbsfähigkeit der Produkte zu sichern.
  • Darüber hinaus ist es gemäß der vorliegenden Offenbarung möglich, verschiedene Elektrodenmembranen unter Verwendung einer durch ein oder zwei Beschichtungsverfahren erhaltenen Ionenübertragungsschicht zu bilden, wobei deren Anwendbarkeit ausgezeichnet ist.
  • Die Effekte der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf die oben genannten beschränkt. Es sollte verstanden werden, dass die Effekte der vorliegenden Offenbarung alle Effekte einschließen, die aus der vorstehenden Beschreibung der vorliegenden Offenbarung abgeleitet werden können.
  • Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wurden unter Bezugnahme auf die begleitenden Abbildungen beschrieben. Für den Fachmann wird es jedoch offensichtlich sein, dass die vorliegende Offenbarung in anderen als den hier dargelegten spezifischen Formen ausgeführt werden kann, ohne vom Geist und den wesentlichen Merkmalen der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Daher sollten die obigen Ausführungsformen in allen Aspekten als veranschaulichend und nicht beschränkend ausgelegt werden.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Elektrolytmembran für Brennstoffzellen, das Verfahren umfasst: Aufbringen einer Aufschlämmung, die wenigstens ein Ionomer aufweist, auf ein Substrat zum Herstellen einer Ionenübertragungsschicht; Herstellen eines Laminats, welches das Substrat und die Ionenübertragungsschicht umfasst; und Bereitstellen eines Paares von Laminaten zum Ausbilden einer Elektrolytmembran; wobei die Ionenübertragungsschicht einen Katalysatorbereich aufweist, der auf wenigstens einer Seite basierend auf einer Mittellinie in Breitenrichtung gebildet ist, wobei der Katalysatorbereich einen Katalysator umfasst.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Katalysatorbereich von einem Ende der Ionenübertragungsschicht zu einer Grenzlinie ausgebildet wird, die von dem einen Ende in Richtung der Mittellinie in Breitenrichtung um einen vorbestimmten Abstand beabstandet ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Breite des Katalysatorbereichs gleich oder weniger als die 1/2 der Breite der Ionenübertragungsschicht ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ionenübertragungsschicht unter Verwendung einer Beschichtungsdüse hergestellt wird, und eine Aufschlämmung, die ein Ionomer und einen Katalysator umfasst, durch einen Abschnitt einer Düse eines Düsenkopfes, der in der Beschichtungsdüse vorgesehen ist, ausgegeben wird, um den Katalysatorbereich zu bilden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Katalysator ein Element umfasst, das aus einer Gruppe von Platin (Pt), Gold (Au), Palladium (Pd), Silber (Ag), Osmium (Os), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru) oder einer Kombination davon ausgewählt ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat Trennpapier umfasst, das aus einer Gruppe von Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylennaphthalat (PEN), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyimid (PI), Polypropylen (PP) oder einer Kombination davon ausgewählt ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Paar von Laminaten so bereitgestellt wird, dass die in den Ionenübertragungsschichten umfassten Katalysatorbereiche an gegenüberliegenden Bereichen angeordnet werden, um die Elektrolytmembran zu bilden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Paar von Laminaten so bereitgestellt wird, dass die in den Ionenübertragungsschichten umfassten Katalysatorbereiche an den gleichen Bereichen angeordnet werden, um die Elektrolytmembran zu bilden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Laminate um Rollen gewickelt werden, umfassend eine äußere Oberflächenrolle, auf welche die Ionenübertragungsschicht so gewickelt ist, dass diese nach außen weist, und eine innere Oberflächenrolle, auf welcher die Ionenübertragungsschicht so gewickelt ist, dass diese nach innen weist, vorbereitet werden, und die Ionenübertragungsschichten einander berühren, wobei die Katalysatorbereiche an den gleichen Bereichen angeordnet sind.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine erste Ionenübertragungsschicht mit einem Katalysatorbereich, der auf der einen Seite basierend auf der Mittellinie in Breitenrichtung gebildet ist, und eine zweite Ionenübertragungsschicht mit einem Katalysatorbereich, der auf der anderen Seite basierend auf der Mittellinie in Breitenrichtung gebildet ist, ausgebildet werden, und die erste Ionenübertragungsschicht und die zweite Ionenübertragungsschicht so laminiert werden, dass diese einander so berühren, dass die Katalysatorbereiche in den gleichen Bereichen angeordnet sind.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zudem umfassend Bereitstellen einer porösen Verstärkungsschicht auf der Ionenübertragungsschicht, so dass die Ionenübertragungsschicht mit der Verstärkungsschicht imprägniert wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Verstärkungsschicht eine Schicht umfasst, die aus einer Gruppe von Polytetrafluorethylen (PTFE), expandiertem Polytetrafluorethylen (e-PTFE), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyphenylenoxid (PPO), Polybenzimidazol (PBI), Polyimid (PI), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyvinylchlorid (PVC) oder einer Kombination davon ausgewählt ist.
  13. Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle, wobei das Verfahren umfasst: Ausbilden von Elektrodenschichten auf gegenüberliegenden Oberflächen der Elektrolytmembran für Brennstoffzellen, hergestellt nach Anspruch 1, um eine Membran-Elektroden-Anordnung zu erhalten; und Koppeln der Membran-Elektroden-Anordnung und eine Dichtung so miteinander, dass die Katalysatorbereiche der Elektrolytmembran an der Wasserstoffeintritts- und Lufteintrittsseite angeordnet sind.
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