DE102021210079A1 - Verbund-elektrolytmembran und verfahren zum herstellen derselben - Google Patents

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Hyundai Motor Co
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Abstract

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Verbund-Elektrolytmembran und ein Verfahren zum Herstellen derselben. Eine Katalysatorverbundschicht in der Verbund-Elektrolytmembran enthält einheitlich einen Katalysator und ein Antioxidationsmittel, wodurch es möglich ist, die Erzeugung von Wasserstoffperoxid durch eine Nebenreaktion zu verhindern. Zusätzlich ist die Katalysatorverbundschicht als separate Schicht ausgebildet, so dass die Katalysatorverbundschicht stattdessen zersetzt wird, wodurch die Membranzersetzung selbst in dem Fall, in dem Radikale ein lonomer aufgrund einer geringen Nebenreaktion angreifen, stark verhindert wird. Darüber hinaus ist es möglich, die Position der Katalysatorverbundschicht, die den Katalysator und das Antioxidationsmittel enthält, zu steuern, indem die Dicken einer zweiten lonenaustauschschicht und der Katalysatorverbundschicht eingestellt werden, wodurch es möglich ist, eine spezifische Zersetzungsposition zu schützen und deshalb ist es möglich die Lebensdauer der Membran effizient zu verbessern.

Description

  • HINTERGRUND
  • (a) Technischer Bereich
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Verbund-Elektrolytmembran, die fähig ist, durch Einstellen der Position einer Katalysatorverbundschicht, die einen Katalysator und ein Antioxidationsmittel enthält, effizient vor einer Zersetzung geschützt zu werden, die an einer spezifischen Position davon auftreten kann und auf ein Verfahren zum Herstellen derselben.
  • (b) Stand der Technik
  • Bislang wurde eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) am häufigsten als Brennstoffzelle für Fahrzeuge eingesetzt. Die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle muss in einem weiten Stromdichtebereich stabil betrieben werden, um unter verschiedenen Fahrbedingungen eines Fahrzeugs normalerweise eine hohe Ausgangsleistung von mindestens einigen zehn Kilowatt zu erreichen.
  • Eine Brennstoffzelle wird in der Form eines Stapels verwendet, in dem Einheitszellen in einem gestapelten Zustand angeordnet werden, um die erforderliche Leistung zu erreichen. Jede Einheitszelle ist so konfiguriert, dass eine Gasdiffusionsschicht (GDL) und eine Dichtung auf einem äußeren Teil einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) gestapelt sind, das heißt ein äußeres Teil, an dem sich eine Kathode und eine Anode befinden, und ein Separator (oder eine bipolare Platte), der ein Strömungsfeld hat, durch das Reaktionsgas (Wasserstoff als ein Brennstoff und Sauerstoff oder Luft als ein Oxidationsmittel) zugeführt wird und ein Kühlmittel strömt, wird außerhalb der Gasdiffusionsschicht bereitgestellt. Mehrere hundert Einheitszellen werden gestapelt, und an den äußersten Seiten der Einheitszellen werden Endplatten angebracht, um die Einheitszellen zu tragen.
  • Eine elektrochemische Reaktion zur Erzeugung von Elektrizität in der Brennstoffzelle findet in einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) statt, die aus einer Elektrolytmembran und Elektroden, wie einer Anode und einer Kathode, besteht. Die elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle läuft wie folgt ab. Wie in der nachstehenden Reaktionsformel [1] dargestellt, wird Wasserstoff der Anode, die eine Oxidationselektrode ist, der Brennstoffzelle zugeführt, als Ergebnis der Wasserstoffoxidationsreaktion (HOR) in Protonen und Elektronen getrennt, und die Protonen bewegen sich durch die Membran zur Kathode, die eine Reduktionselektrode ist, und die Elektronen bewegen sich durch einen externen Kreislauf zur Kathode. Wie in der nachstehenden Reaktionsformel [2] dargestellt, reagieren die Protonen und die Elektronen mit von außen zugeführten Sauerstoffmolekülen an der Kathode als Ergebnis der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR), wobei Strom und Wärme erzeugt werden und gleichzeitig Wasser als ein Reaktionsnebenprodukt erzeugt wird. H2 → 2H+ + 2e-, E° = 0,000 V (vs. SHE) [1] 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O, E° = 1,229 V (vs. SHE) [2]
  • Hier bezeichnet E° das Standard-Elektrodenpotential und SHE bezeichnet eine Standard-Wasserstoffelektrode.
  • Derweil hat eine Polymerelektrolytmembran in der Membran-Elektroden-Anordnung eine Polymerelektrolytmembranstruktur, bei der Tinte mit einer Struktur, die einen Platinkatalysator enthält, in dem der Platinkatalysator mit einem lonomer gemischt ist, auf eine Oberfläche von expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE) aufgebracht wird. In diesem Fall scheiden sich Platin-Katalysatorpartikel, die auf einem Träger geträgert sind, in Mikroporen ab, die in der Oberfläche von ePTFE gebildet werden, wodurch ein Weg, auf dem sich Protonen bewegen, blockiert wird. Als Ergebnis kann eine lonenleitfähigkeit als eine intrinsische Funktion der Membran und die Funktion des Katalysators vermindert werden. In dem Fall, in dem Radikale nicht effizient gehemmt werden, können die Radikale deshalb das lonomer in der Elektrolytmembran angreifen, wodurch die Membran zersetzt und die Lebensdauer der Brennstoffzelle verringert werden kann.
  • In dem Fall, in dem ein Antioxidationsmittel verwendet wird, um eine solche Zersetzung zu verhindern, werden Radikale (Hydroxylradikal, -OH), die bei der Zersetzung des durch eine Nebenreaktion erzeugten Wasserstoffperoxids (H2O2) entstehen, in H2O umgewandelt, wodurch es möglich ist, die Radikale an der Zersetzung eines lonenaustauschmaterials zu hindern. In dem Fall, in dem eine große Menge Wasserstoffperoxid erzeugt wird oder Wasserstoffperoxid allein vorhanden ist, ist eine Effizienz des Antioxidationsmittels verringert. Im Gegensatz dazu reagiert der Katalysator in der Mischungsschicht, die den Trägerkatalysator aufweist, wie in der folgenden Reaktionsformel [3] dargestellt Pt + HOOH → H2O + Pt + O2 [3]
  • Der Katalysator setzt Wasserstoffperoxid in H2O um, bevor Wasserstoffperoxid in Radikale zerlegt wird. In dem Fall, in dem das Antioxidationsmittel und der Katalysator am selben Platz angeordnet sind, setzt der Katalysator deshalb vor allem Wasserstoffperoxid zu H2O um. In dem Fall, in dem Wasserstoffperoxid in Radikale zersetzt wird, wandelt das Antioxidationsmittel Radikale nebenbei in H2O2 um.'' Folglich ist es möglich, die Bildung von Radikalen effizienter zu hemmen. Darüber hinaus ermöglicht der Katalysator, dass Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2), die durch die Membran zu den gegenüberliegenden Elektroden gelangen, miteinander reagieren und so in Wasser (H2O) umgewandelt werden können, wodurch eine Verringerung der Leerlaufspannung (OCV) aufgrund des Crossovers verringert wird.
  • Es besteht jedoch Bedarf an einer Technologie, wenn Zersetzung häufig an einer spezifischen Position in der Polymerelektrolytmembran auftritt, bei der der Katalysator und das Antioxidationsmittel nur an einer spezifischen Stelle in der Polymerelektrolytmembran in einem hohen Anteil enthalten sind, wodurch eine Zersetzung wirksam verhindert wird.
  • [Stand der Technik-Dokument]
  • [Patentdokument]
  • Koreanische Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer. 10-2017-0027142
  • Die in diesem Abschnitt „Hintergrund“ offengelegten Informationen dienen lediglich dem besseren Verständnis des Hintergrunds der Erfindung und können daher Informationen enthalten, die nicht zum Stand der Technik gehören und die einem Fachmann in diesem Land bereits bekannt sind.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
  • Die vorliegende Offenbarung wurde in dem Bemühen gemacht, die oben beschriebenen Probleme, die mit dem Stand der Technik verbunden sind, zu lösen.
  • Ein Gegenstand der vorliegenden Offenbarung ist es, eine Verbund-Elektrolytmembran bereitzustellen einschließlich einer ersten lonenaustauschschicht, die ein erstes lonomer enthält, einer porösen Verstärkungsschicht, die sich auf der ersten lonenaustauschschicht befindet, einer zweiten lonenaustauschschicht, die sich auf der Verstärkungsschicht befindet, und einer Katalysatorverbundschicht, die sich auf der zweiten lonenaustauschschicht befindet, die Katalysatorverbundschicht einen Katalysator und ein Antioxidationsmittel enthält, wobei die Dicken der zweiten lonenaustauschschicht und der Katalysatorverbundschicht geändert werden, während die Summe der Dicke der zweiten lonenaustauschschicht und der Dicke der Katalysatorverbundschicht gleich der Dicke der ersten lonenaustauschschicht gehalten wird.
  • Die Gegenstände der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf die oben beschriebenen beschränkt. Die Gegenstände der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden Beschreibung klar ersichtlich und können durch die in den Ansprüchen definierten Mittel und eine Kombination davon umgesetzt werden.
  • In einem Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung eine Verbund-Elektrolytmembran bereit einschließlich einer ersten lonenaustauschschicht, die ein erstes lonomer enthält, einer porösen Verstärkungsschicht, die sich auf der ersten lonenaustauschschicht befindet, wobei die Verstärkungsschicht mit einem zweiten lonomer imprägniert ist, einer zweiten lonenaustauschschicht, die sich auf der Verstärkungsschicht befindet, wobei die zweite lonenaustauschschicht ein drittes lonomer enthält; und einer Katalysatorverbundschicht, die sich auf der zweiten lonenaustauschschicht befindet, wobei die Katalysator-Verbundschicht einen Katalysator, ein Antioxidationsmittel und ein viertes lonomer enthält.
  • Die Summe der Dicke der zweiten lonenaustauschschicht und der Dicke der Katalysatorverbundschicht kann gleich der Dicke der ersten lonenaustauschschicht sein.
  • Die Dicke der ersten lonenaustauschschicht kann 0,1 bis 10 µm sein.
  • Die Dicke der zweiten lonenaustauschschicht kann 10 bis 30 % der Dicke der ersten lonenaustauschschicht sein.
  • Das Verhältnis der Dicke der zweiten lonenaustauschschicht zur Katalysatorverbundschicht kann 1:2 bis 9 sein.
  • Der Gehalt des Antioxidationsmittels kann 0,1 bis 10 Gewichtsteile, basierend auf 100 Gewichtsteile des vierten lonomers in der Katalysatorverbundschicht, sein.
  • Der Katalysator kann mindestens ein Katalysatormetall enthalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Platin (Pt), Palladium (Pd), Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Gold (Au), Silber (Ag), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Molybdän (Mo) und Yttrium (Y).
  • Der Gehalt des Katalysatormetalls kann 0,1 bis 15 Gewichtsteile, basierend auf 100 Gewichtsteile des vierten lonomers in der Katalysatorverbundschicht, sein.
  • Die ersten bis vierten lonomere, die in jeder der ersten lonenaustauschschicht, der Verstärkungsschicht, der zweiten lonenaustauschschicht und der Katalysatorverbundschicht enthalten sind, können mindestens eines enthalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem lonomer auf Basis perfluorierter Sulfonsäure (PFSA), einem kohlenstoffbasierten lonomer und einer Kombination davon. Die ersten bis vierten lonomere, die in jeder der ersten lonenaustauschschicht, der Verstärkungsschicht, der zweiten lonenaustauschschicht und der Katalysatorverbundschicht enthalten sind, können die gleichen oder unterschiedlich voneinander sein.
  • In einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen einer Verbund-Elektrolytmembran bereit, einschließlich Aufbringen eines ersten lonomers auf Trennpapier, um eine erste lonenaustauschschicht herzustellen, Bereitstellen einer Verstärkungsschicht auf der ersten lonenaustauschschicht durch Imprägnierung mit einem zweiten lonomer, Aufbringen eines dritten lonomers auf die Verstärkungsschicht, um eine zweite lonenaustauschschicht herzustellen und Stapeln einer Katalysatorverbundschicht, die ein Katalysatorverbundgemisch enthält, auf die zweite lonenaustauschschicht.
  • Das Stapeln einer Katalysatorverbundschicht kann Aufbringen eines Katalysatorverbundgemischs auf die zweite lonenaustauschschicht und thermisches Behandeln des auf die zweite lonenaustauschschicht aufgebrachten Katalysatorverbundgemischs einschließen.
  • Das Stapeln einer Katalysatorverbundschicht kann Aufbringen eines Katalysatorverbundgemischs auf Trennpapier, um eine Katalysatorverbundschicht herzustellen, und Übertragen und thermisches Behandeln der Katalysatorverbundschicht zum Anbringen an die zweite lonenaustauschschicht einschließen.
  • Das Katalysatorverbundgemisch kann einen Feststoffanteil, der einen Katalysator, ein Antioxidationsmittel und ein viertes lonomer enthält, und ein Lösungsmittel enthalten.
  • Das Katalysatorverbundgemisch kann 100 Gewichtsteile des Lösungsmittels und 5 bis 30 Gewichtsteile des Feststoffanteils enthalten.
  • Weitere Aspekte und bevorzugte Ausführungsformen der Offenbarung werden infra erörtert.
  • Figurenliste
  • Die obigen und andere Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden nun im Detail unter Bezugnahme auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen davon beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, die nachstehend nur zur Veranschaulichung angegeben werden und daher die vorliegende Offenbarung nicht einschränken, und wobei:
    • 1 eine Schnittdarstellung ist, die schematisch eine Verbund-Elektrolytmembran gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 2 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zum Herstellen einer Verbund-Elektrolytmembran gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 3A eine Ansicht ist, die einen Schritt des direkten Aufbringens eines Katalysatorverbundgemischs zum Stapeln einer Katalysatorverbundschicht in dem Verfahren zum Herstellen der Verbund-Elektrolytmembran gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 3B eine Ansicht ist, die einen Schritt des Stapelns einer Katalysatorverbundschicht zeigt, hergestellt durch Verwenden eines Katalysatorverbundgemischs in dem Verfahren zum Herstellen der Verbund-Elektrolytmembran gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
    • 4 eine Grafik ist, die das Ergebnis des Vergleichs der Leerlaufspannung (OCV) zwischen den hergestellten Verbund-Elektrolytmembranen gemäß Beispiel 1 und Beispiel 2 der vorliegenden Offenbarung und einer gemäß dem Vergleichsbeispiel hergestellten Elektrolytmembran zeigt; und
    • 5 eine Grafik ist, die das Ergebnis des Vergleichs der nachandauernden Fluorelutionskonzentration zwischen der gemäß Beispiel 1 hergestellten Verbund-Elektrolytmembran und der gemäß dem Vergleichsbeispiel hergestellten Elektrolytmembran zeigt.
  • Die beigefügten Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu und stellen eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener bevorzugter Merkmale dar, die die Grundprinzipien der Offenbarung veranschaulichen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Offenbarung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich z. B. spezifischer Abmessungen, Ausrichtungen, Positionen und Formen, werden zum Teil durch die jeweilige beabsichtigte Anwendung und Einsatzumgebung bestimmt.
  • In den Figuren beziehen sich die Referenznummern auf die gleichen oder gleichwertige Teile der vorliegenden Offenbarung in den verschiedenen Figuren der Zeichnung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die oben beschriebenen Objekte und andere Objekte, Merkmale und Vorteile werden aus den folgenden bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen klar verstanden werden. Allerdings ist die vorliegende Offenbarung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt und wird in verschiedenen Formen verkörpert werden. Die Ausführungsformen werden nur vorgeschlagen, um ein gründliches und vollständiges Verständnis des offengelegten Inhalts zu ermöglichen und den Fachmann ausreichend über das technische Konzept der vorliegenden Offenbarung zu informieren.
  • Gleiche Referenznummern beziehen sich auf gleiche Elemente in der gesamten Beschreibung der Figuren. In den Zeichnungen sind die Größen der Strukturen zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt. Obwohl die Begriffe „erstes“, „zweites“ usw. hier zur Beschreibung verschiedener Elemente verwendet werden, sind die entsprechenden Elemente nicht so zu verstehen, dass sie durch diese Begriffe, die nur zur Unterscheidung eines Elements von einem anderen verwendet werden, eingeschränkt werden. Innerhalb des durch die vorliegende Offenbarung definierten Anwendungsbereichs kann beispielsweise ein erstes Element als zweites Element bezeichnet werden, und in ähnlicher Weise kann ein zweites Element als erstes Element bezeichnet werden. Singularformen schließen auch Pluralformen ein, sofern aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht.
  • Es versteht sich weiter, dass die Begriffe „umfasst“, „hat“ und dergleichen, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein bestimmter Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten oder Kombinationen davon angeben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten oder Kombinationen davon ausschließen. Wenn ein Element, z. B. eine Schicht, ein Film, ein Bereich oder ein Substrat, als „auf“ einem anderen Element bezeichnet wird, kann es sich direkt auf dem anderen Element befinden oder es kann auch ein dazwischenliegendes Element vorhanden sein. Wenn ein Element, z. B. 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, handelt es sich bei allen Zahlen, Figuren und/oder Ausdrücken, die in der Beschreibung verwendete Bestandteile, Reaktionsbedingungen, Polymerzusammensetzungen und Mengen von Mischungen darstellen, um Näherungswerte, die verschiedene Messunsicherheiten widerspiegeln, die unter anderem bei der Ermittlung dieser Zahlen auftreten. Aus diesem Grund sollte der Begriff „etwa“ in allen Fällen alle Zahlen, Figuren und/oder Ausdrücke modifizieren. Wenn in der Beschreibung numerische Bereiche angegeben werden, sind diese Bereiche kontinuierlich und umfassen alle Zahlen vom Minimum bis zum Maximum einschließlich des Maximums innerhalb des Bereichs, sofern nicht anders definiert. Bezieht sich der Bereich auf eine ganze Zahl, so umfasst er alle ganzen Zahlen vom Minimum bis zum Maximum einschließlich des Maximums innerhalb des Bereichs, sofern nicht anders definiert.
  • Wenn sich der Bereich in der Spezifikation auf einen Parameter bezieht, umfasst der Parameter alle Zahlen einschließlich der Endpunkte, die innerhalb des Bereichs angegeben sind. Beispielsweise umfasst der Bereich „5 bis 10“ die Zahlen 5, 6, 7, 8, 9 und 10 sowie beliebige Unterbereiche wie die Bereiche 6 bis 10, 7 bis 10, 6 bis 9 und 7 bis 9 und alle Zahlen zwischen geeigneten ganzen Zahlen wie 5,5, 6,5, 7,5, 5,5 bis 8,5 und 6,5 bis 9, die in diesen Bereich fallen. Darüber hinaus umfasst der Bereich „10 % bis 30 %“ beispielsweise alle ganzen Zahlen, die Zahlen wie 10 %, 11 %, 12 % und 13 % sowie 30 % umfassen, und alle Unterbereiche von 10 % bis 15 %, 12 % bis 18 % oder 20 % bis 30 % sowie alle Zahlen wie 10,5 %, 15,5 % und 25,5 % zwischen geeigneten ganzen Zahlen, die in diesen Bereich fallen.
  • 1 ist eine Schnittdarstellung, die schematisch eine Verbund-Elektrolytmembran gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Diesbezüglich enthält die Verbund-Elektrolytmembran eine erste lonenaustauschschicht, eine Verstärkungsschicht, die sich auf der ersten lonenaustauschschicht befindet, eine zweite lonenaustauschschicht, die sich auf der Verstärkungsschicht befindet, und eine Katalysatorverbundschicht, die sich auf der zweiten lonenaustauschschicht befindet. In der Verbund-Elektrolytmembran gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist die Summe der Dicke der zweiten lonenaustauschschicht und der Dicke der Katalysatorverbundschicht gleich der Dicke der ersten lonenaustauschschicht, und es ist möglich, eine spezifische Zersetzungsposition durch Einstellen der Dicken der zweiten lonenaustauschschicht und der Katalysatorverbundschicht zu schützen, wodurch es möglich ist, die Lebensdauer der Membran effizient zu verbessern.
  • Die erste lonenaustauschschicht gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist nicht besonders eingeschränkt, solange die erste lonenaustauschschicht als Übertragungsweg dient, entlang dessen die an einer Anode erzeugten Protonen zu einer Kathode geleitet werden, und gleichzeitig als Bindemittel dient, mit der Fähigkeit eine Elektrode und die Verstärkungsschicht zu fixieren. Die erste lonenaustauschschicht kann ein erstes lonomer enthalten. Das erste lonomer kann ein normales lonomer sein, das in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann, und kann beispielsweise mindestens eines enthalten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem lonomer auf Basis perfluorierter Sulfonsäure (PFSA), einem Polymer, das mindestens eine sulfonierte aromatische Verbindung, wie Phenolsulfonsäure, Polystyrolsulfonsäure oder fluorierte Styrolsulfonsäure, und eine Kombination davon enthält, und einem kohlenwasserstoffbasierten lonomer. Das erste lonomer ist vorzugsweise ein lonomer auf Basis perfluorierter Sulfonsäure, ohne auf eine spezifische Art beschränkt zu sein. Die Dicke der ersten lonenaustauschschicht kann 0,1 bis 10 µm sein. Falls die Dicke der ersten lonenaustauschschicht weniger als 0,1 µm ist, wird die Verstärkungsschicht schnell freigelegt, wenn das lonomer zersetzt wird, wodurch die Lebensdauer der Elektrolytmembran verringert wird. Falls die Dicke der ersten lonenaustauschschicht größer als 10 µm ist, ist die lonomerschicht zu dick, wodurch eine lonentransmissionsfähigkeit verringert wird.
  • Die Verstärkungsschicht gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist nicht besonders eingeschränkt, solange die Verstärkungsschicht als Übertragungsweg dient, entlang dessen die an der Anode erzeugten Protonen zur Kathode geleitet werden. Die Verstärkungsschicht kann sich auf der ersten lonenaustauschschicht befinden und einen porösen Film enthalten, der mit einem zweiten lonomer imprägniert ist. Das zweite lonomer, das in der Verstärkungsschicht enthalten ist, ist das gleiche wie das oben definierte. Die Verstärkungsschicht kann einen normalen porösen Film enthalten, der in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann, und kann beispielsweise mindestens eines enthalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polytetrafluorethylen (PTFE), Poly(ethylenterephthalat) (PET), Polybenzoxazol (PBO), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polyimid (PI). Die Verstärkungsschicht enthält vorzugsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), ist jedoch nicht auf das Enthalten nur einer bestimmten Art beschränkt.
  • Die zweite lonenaustauschschicht gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist nicht besonders eingeschränkt, solange die erste lonenaustauschschicht als Übertragungsweg dient, über den die an der Anode erzeugten Protonen zur Kathode geleitet werden, und gleichzeitig als Bindemittel dient mit der Fähigkeit die Elektrode und die Verstärkungsschicht zu fixieren. In der gleichen Weise wie die erste lonenaustauschschicht kann die zweite lonenaustauschschicht ein drittes lonomer enthalten, vorzugsweise ein pulverförmiges lonomer, das ausreichend gerührt und in einem Lösungsmittel dispergiert ist. Das dritte lonomer kann ein normales lonomer sein, das in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann, und kann identisch oder verschieden zu dem lonomer sein, das in der ersten lonenaustauschschicht enthalten ist. Zusätzlich kann die Dicke der zweiten lonenaustauschschicht eingestellt werden, um eine bestimmte Zersetzungsposition in der Verbund-Elektrolytmembran zu schützen. Vorzugsweise ist die Dicke der zweiten lonenaustauschschicht 10 bis 30 % der Dicke der ersten lonenaustauschschicht. Falls die Dicke der zweiten lonenaustauschschicht weniger als 10 % der Dicke der ersten lonenaustauschschicht ist, tritt dort eine Abweichung von einem Spannungsbereich auf, in dem das durch Nebenreaktion erzeugte Wasserstoffperoxid auf Katalysatorpartikel trifft und so zu Wasser reduziert wird, wodurch eine Katalysatoreffizienz verringert wird. Falls die Dicke der zweiten lonenaustauschschicht größer als 30 % der Dicke der ersten lonenaustauschschicht ist, wird die Menge eines verwendeten Katalysatormaterials reduziert, wobei die Menge eines Katalysators geringer ist als die Menge an Wasserstoffperoxid und somit die Verringerung der Zersetzungsrate unbedeutend ist.
  • Die Katalysatorverbundschicht gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist nicht besonders eingeschränkt, solange die Katalysatorverbundschicht als eine separate Schicht ausgebildet ist mit der Fähigkeit Nebenreaktionen zu hemmen, die in der Verbund-Elektrolytmembran auftreten können. Die Katalysatorverbundschicht kann sich auf der zweiten lonenaustauschschicht befinden und einen Katalysator, ein Antioxidationsmittel und ein viertes lonomer enthalten. Das in der Katalysatorverbundschicht enthaltene vierte lonomer kann identisch oder verschieden mit dem in der ersten lonenaustauschschicht oder der zweiten lonenaustauschschicht enthaltenen lonomer sein. Das Antioxidationsmittel kann ein normales Antioxidationsmittel sein, das in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann, und kann beispielsweise mindestens eines enthalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Salz des Cers, Ceroxid, Cer-Zirkoniumoxid, Cer-Sulfat, Mangansulfat, Manganoxid und einer Kombination davon. Vorzugsweise enthält das Antioxidationsmittel ein Salz des Cers, Ceroxid oder eine Kombination davon, wobei es nicht auf eine spezifische Art beschränkt ist. Der Gehalt des Antioxidationsmittels kann 0,1 bis 10 Gewichtsteile, basierend auf 100 Gewichtsteile des vierten lonomers in der Katalysatorverbundschicht, sein. Falls der Gehalt des Antioxidationsmittels weniger als 0,1 Gewichtsteile, basierend auf 100 Gewichtsteile des vierten lonomers, ist, ist die Effizienz des Antioxidationsmittels verringert. Falls der Gehalt des Antioxidationsmittels größer als 10 Gewichtsteile ist, basierend auf 100 Gewichtsteile des vierten lonomers, verringert sich eine Leistung. Zusätzlich kann der Katalysator ein normaler Katalysator sein, der in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann, vorzugsweise ein Katalysatormetall auf einem Kohlenstoffträger. Der Kohlenstoffträger kann ein normaler Kohlenstoffträger sein, der in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann, und kann beispielsweise mindestens eines enthalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Graphit, Ruß, Aktivkohle, Kohlenstoff-Nanorohr, Kohlenstoff-Nanofaser, Kohlenstoff-Nanodraht und einer Kombination davon, aber er ist nicht auf eine bestimmte hierin offenbarte Art beschränkt. Zusätzlich kann das Katalysatormetall ein normales Katalysatormetall sein, das in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann, und kann beispielsweise mindestens eines einschließen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Platin (Pt) Palladium (Pd), Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Gold (Au), Silber (Ag), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Molybdän (Mo), Yttrium (Y) und einer Kombination davon. Das Katalysatormetall schließt vorzugsweise ein einzelnes Element oder ein Legierungselement ein, das Pt enthält, ist aber nicht auf eine bestimmte Art beschränkt. Der Gehalt des Katalysatormetalls kann 0,1 bis 15 Gewichtsteile, basierend auf 100 Gewichtsteile des vierten lonomers in der Katalysatorverbundschicht, sein. Falls der Gehalt des Katalysatormetalls weniger ist als 0,1 Gewichtsteile, basierend auf 100 Gewichtsteile des vierten lonomers, ist die Menge des Katalysators verglichen zur Menge des erzeugten Wasserstoffperoxids reduziert, wodurch die Verringerung der Zersetzungsrate unwesentlich ist. Falls der Gehalt des Katalysatormetalls größer ist als 15 Gewichtsteile, basierend auf 100 Gewichtsteile des vierten lonomers, wird die Menge des Katalysators im Vergleich zur Menge des erzeugten Wasserstoffperoxids erhöht, wodurch die Effizienz verringert wird. In der vorliegenden Offenbarung kann die Dicke der Katalysatorverbundschicht eingestellt werden, um eine spezifische Zersetzungsposition in der Verbund-Elektrolytmembran zusammen mit der zweiten lonenaustauschschicht zu schützen. Vorzugsweise wird die Summe der Dicke der zweiten lonenaustauschschicht und der Dicke der Katalysatorverbundschicht gleich der Dicke der ersten lonenaustauschschicht gehalten, und das Verhältnis der Dicke der zweiten lonenaustauschschicht zur Katalysatorverbundschicht ist 1:2 bis 9. Falls das Verhältnis der Dicke der zweiten lonenaustauschschicht zur Katalysatorverbundschicht 1:weniger als 2 ist, tritt eine Abweichung von einem Spannungsbereich auf, in dem das durch Nebenreaktion erzeugte Wasserstoffperoxid auf Katalysatorpartikel trifft und so zu Wasser reduziert wird, wodurch die Katalysatoreffizienz verringert wird. Falls das Verhältnis der Dicke der zweiten lonenaustauschschicht zur Katalysatorverbundschicht 1 :mehr als 9 ist, wird die Menge des Katalysators verglichen zur Menge des erzeugten Wasserstoffperoxids erhöht, wodurch die Effizienz verringert wird.
  • Das heißt, die Verbund-Elektrolytmembran gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist dadurch gekennzeichnet, dass es möglich ist, die Position der Katalysatorverbundschicht, die den Katalysator und das Antioxidationsmittel enthält, zu steuern, indem die Dicken der zweiten lonenaustauschschicht und der Katalysatorverbundschicht eingestellt werden, während die Summe der Dicke der zweiten lonenaustauschschicht und der Dicke der Katalysatorverbundschicht gleich der Dicke der ersten lonenaustauschschicht gehalten wird, wodurch es möglich ist, eine spezifische Zersetzungsposition zu schützen, und deshalb ist es möglich, die Lebensdauer der Membran effizient zu verbessern.
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen einer Verbund-Elektrolytmembran gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Das Verfahren umfasst einen Schritt (S10) des Aufbringens eines ersten lonomers auf Trennpapier, um eine erste lonenaustauschschicht herzustellen, einen Schritt (S20) des Bereitstellens einer Verstärkungsschicht auf der ersten lonenaustauschschicht durch Imprägnierung mit einem zweiten lonomer, einen Schritt (S30) des Aufbringens eines dritten lonomers auf die Verstärkungsschicht, um eine zweite lonenaustauschschicht herzustellen und einen Schritt (S40) des Stapelns einer Katalysatorverbundschicht, die ein Katalysatorverbundgemisch enthält, auf die zweite lonenaustauschschicht.
  • Der Schritt (S10) des Herstellens einer ersten lonenaustauschschicht ist ein Schritt des Aufbringens eines ersten lonomers auf Trennpapier, um eine erste lonenaustauschschicht herzustellen. Die zweiten bis vierten lonomere können mit dem lonomer identisch sein, das in der oben beschriebenen ersten lonenaustauschschicht enthalten ist. Vorzugsweise ist das erste lonomer ein pulverförmiges lonomer, das ausreichend gerührt und in einem Lösungsmittel dispergiert ist. Zusätzlich kann das Lösungsmittel ein normales Lösungsmittel sein, das in der vorliegenden Offenbarung von einem Fachmann verwendet werden kann, und kann mindestens eines sein, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Isopropylalkohol (IPA), n-Propylalkohol (nPA) und Ethylalkohol), deionisiertem Wasser oder einer Mischung davon, ist aber nicht auf eine bestimmte Art beschränkt. Das Verfahren eines Aufbringens des ersten lonomers, das in dem Lösungsmittel ausreichend gerührt wird, auf das Trennpapier kann ein normales Verfahren sein, das in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann, und beispielsweise kann eines verwendet werden, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Stangenbeschichten, Kommabeschichten, Tiefdruckbeschichten, Schlitzdüsenbeschichten, Siebdrucktechnik, Sprühbeschichten und einer Kombination davon, aber das Verfahren ist nicht auf ein spezifisches Verfahren beschränkt.
  • Der Schritt (S20) des Bereitstellens einer Verstärkungsschicht durch Imprägnierung ist ein Schritt, bei dem eine Verstärkungsschicht auf die erste lonenaustauschschicht gestapelt und die Verstärkungsschicht mit einem zweiten lonomer imprägniert wird. Die Verstärkungsschicht kann mit dem oben beschriebenen porösen Film identisch sein. Das Verfahren eines Stapelns der Verstärkungsschicht auf die erste lonenaustauschschicht kann ein normales Verfahren sein, das in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann, und es kann beispielsweise eine Walzenlaminierung oder direktes Beschichten verwendet werden, aber das Verfahren ist nicht auf ein spezifisches Verfahren beschränkt.
  • Der Schritt (S30) des Herstellens einer zweiten lonenaustauschschicht ist ein Schritt eines Aufbringens eines dritten lonomers auf die Verstärkungsschicht, die auf der ersten lonenaustauschschicht gestapelt und imprägniert ist, um eine zweite lonenaustauschschicht herzustellen. Die ersten, zweiten und vierten lonomere können mit dem lonomer identisch sein, das in der oben beschriebenen zweiten lonenaustauschschicht enthalten ist. Das Verfahren eines Aufbringens des dritten lonomers auf das Trennpapier kann ein normales Verfahren sein, das in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann, und kann identisch oder verschieden zu dem Verfahren zum Aufbringen der ersten lonenaustauschschicht sein. Zusätzlich kann ferner ein Schritt des Trocknens der zweiten lonenaustauschschicht nach dem Aufbringen enthalten sein. Der Trocknungsschritt kann unter bestimmten Temperatur-, Zeit- und Feuchtigkeitsbedingungen durchgeführt werden. Falls die spezifischen Temperatur-, Zeit- und Feuchtigkeitsbedingungen nicht eingehalten werden, verändern sich die physikalischen Eigenschaften des dritten lonomers, wodurch dessen Leistung und Lebensdauert verringert werden. Nach dem Trocknen kann die Dicke der ersten lonenaustauschschicht 0,1 bis 10 µm sein, und die Dicke der zweiten lonenaustauschschicht kann 10 bis 30 % der Dicke der ersten lonenaustauschschicht sein.
  • Der Schritt (S40) des Stapelns einer Katalysatorverbundschicht ist ein Schritt eines Stapelns einer Katalysatorverbundschicht, die ein Katalysatorverbundgemisch enthält, auf der zweiten lonenaustauschschicht, die durch Aufbringen des vierten lonomers auf die Verstärkungsschicht hergestellt wurde. Das Katalysatorverbundgemisch kann einen Feststoffanteil, der einen Katalysator, ein Antioxidationsmittel und ein viertes lonomer enthält, sowie ein Lösungsmittel enthalten. Der Katalysator, das Antioxidationsmittel und das vierte lonomer können mit denen in der oben beschriebenen Katalysatorverbundschicht identisch sein. Das Lösungsmittel kann ein normales Lösungsmittel sein, das in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann, und kann beispielsweise mindestens eines enthalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkohol, Wasser und einer Kombination davon, ist aber nicht auf eine bestimmte Art beschränkt. Das Katalysatorverbundgemisch kann 100 Gewichtsteile des Lösungsmittels und 5 bis 30 Gewichtsteile des Feststoffanteils enthalten. Falls der Gehalt des Feststoffanteils weniger als 5 Gewichtsteile, basierend auf 100 Gewichtsteile des Lösungsmittels, ist, verringert sich eine Lösungsviskosität, wodurch es schwierig wird, eine gewünschte Dicke zu erreichen. Falls der Gehalt des Feststoffanteils größer als 30 Gewichtsteile ist, basierend auf 100 Gewichtsteile des Lösungsmittels, erhöht sich eine Lösungsviskosität, und ein Beschichten ist unmöglich. Der Schritt eines Stapelns der Katalysatorverbundschicht kann nach einem Verfahren durchgeführt werden, das in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann. Vorzugsweise wird ein Katalysatorverbundgemisch direkt aufgebracht und gestapelt (S41), wie in 3A gezeigt, oder eine Katalysatorverbundschicht, die unter Verwenden eines Katalysatorverbundgemischs hergestellt wurde, wird gestapelt (S42), wie in 3B gezeigt. Der Schritt (S41) des direkten Aufbringens und Stapelns eines Katalysatorverbundgemischs kann einen Schritt des Aufbringens eines Katalysatorverbundgemischs auf die zweite lonenaustauschschicht und einen Schritt des thermischen Behandelns des auf die zweite lonenaustauschschicht aufgebrachten Katalysatorverbundgemischs enthalten. Das Aufbringungsverfahren kann identisch oder verschieden zu dem Verfahren zum Aufbringen der ersten lonenaustauschschicht sein. Der Aufbringungsschritt kann ferner einen Trocknungsschritt enthalten. Der Trocknungsschritt kann bei einer Temperatur von 80 bis 150 °C durchgeführt werden. Falls die spezifischen Temperatur-, Zeit- und Feuchtigkeitsbedingungen nicht eingehalten werden, verändern sich die physikalischen Eigenschaften des lonomers, wodurch dessen Leistung und Lebensdauer verringert werden. Nach einem Trocknen kann schließlich eine thermische Behandlung durchgeführt werden, um eine Verbund-Elektrolytmembran herzustellen. Die thermische Behandlung kann bei einer Temperatur von 120 bis 180 °C durchgeführt werden. Falls die spezifischen Temperatur-, Zeit- und Feuchtigkeitsbedingungen nicht eingehalten werden, verändern sich die physikalischen Eigenschaften des lonomers, wodurch dessen Leistung und Lebensdauer verringert werden. Zusätzlich kann der Schritt (S42) des Stapelns einer Katalysatorverbundschicht, die unter Verwenden eines Katalysatorverbundgemischs hergestellt wurde, einen Schritt des Aufbringens eines Katalysatorverbundgemischs auf Trennpapier, um eine Katalysatorverbundschicht herzustellen und einen Schritt des Übertragens der Katalysatorverbundschicht auf die zweite lonenaustauschschicht und thermisches Behandeln derselben enthalten. Das Aufbringungsverfahren kann identisch oder verschieden zu dem Verfahren zum Aufbringen der ersten lonenaustauschschicht sein. Der Aufbringungsschritt kann ferner einen Trocknungsschritt enthalten, um die Katalysatorverbundschicht herzustellen. Der Trocknungsschritt kann unter bestimmten Temperatur-, Zeit- und Feuchtigkeitsbedingungen durchgeführt werden. Falls die spezifischen Temperatur-, Zeit- und Feuchtigkeitsbedingungen nicht eingehalten werden, verändern sich die physikalischen Eigenschaften des lonomers, wodurch dessen Leistung und Lebensdauer verringert werden. Anschließend wird die Katalysatorverbundschicht auf die zweite lonenaustauschschicht übertragen und thermisch behandelt, um schließlich die Katalysatorverbundschicht herzustellen. Das Verfahren eines Übertragens der Katalysatorverbundschicht kann ein normales Verfahren sein, das in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann, und ist nicht auf ein bestimmtes Verfahren beschränkt. Nach einer Übertragung kann eine thermische Behandlung unter bestimmten Temperatur-, Zeit- und Feuchtigkeitsbedingungen durchgeführt werden. Falls die spezifischen Temperatur-, Zeit- und Feuchtigkeitsbedingungen nicht eingehalten werden, verändern sich die physikalischen Eigenschaften des lonomers, wodurch dessen Leistung und Lebensdauer verringert werden. Nach dem Schritt eines Stapelns der Katalysatorverbundschicht kann das Verhältnis der Dicke der zweiten lonenaustauschschicht zur Katalysatorverbundschicht 1:2 bis 9 sein.
  • Folglich ist die gemäß der vorliegenden Offenbarung hergestellte Verbund-Elektrolytmembran dadurch gekennzeichnet, dass es möglich ist, die Position der Katalysatorverbundschicht, die den Katalysator und das Antioxidationsmittel enthält, zu steuern, indem die Dicken der zweiten lonenaustauschschicht und der Katalysatorverbundschicht eingestellt werden, während die Summe der Dicke der zweiten lonenaustauschschicht und der Dicke der Katalysatorverbundschicht gleich der Dicke der ersten lonenaustauschschicht gehalten wird, wodurch es möglich ist, eine bestimmte Zersetzungsposition zu schützen, und es deshalb möglich ist, die Lebensdauer der Membran effizient zu verbessern.
  • Nachfolgend wird die vorliegende Offenbarung anhand von Beispielen näher beschrieben. Die folgenden Beispiele dienen jedoch lediglich der Veranschaulichung, um das Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu erleichtern, und die vorliegende Offenbarung ist durch die folgenden Beispiele nicht eingeschränkt.
  • Beispiel 1 - Verbund-Elektrolytmembran, hergestellt durch direktes Aufbringen eines Katalysatorverbundgemischs
  • (S10) 35 g einer Perfluorsulfonsäuren (PFSA), die Sulfonsäure als ein erstes lonomer enthalten, wurde in 270 mL eines Lösungsmittels gerührt, und die lonomerlösung wurde durch Verwenden eines Schlitzdüsenbeschichtungsverfahrens auf Trennpapier aufgebracht, um eine erste lonenaustauschschicht herzustellen.
  • (S20) Ein poröser Film, ePTFE, wurde als eine Verstärkungsschicht hergestellt, und Perfluorsulfonsäuren (PFSA), die Sulfonsäure als ein zweites lonomer enthalten, wurde durch Imprägnierung auf der ersten lonenaustauschschicht bereitgestellt.
  • (S30) 35 g Perfluorsulfonsäuren (PFSA), die Sulfonsäure als ein drittes lonomer enthalten, wurden in 270 mL eines Lösungsmittels gerührt, die lonomerlösung wurde auf die Verstärkungsschicht unter Verwenden eines Schlitzdüsen-Beschichtungsverfahrens aufgebracht, und Trocknen wurde bei einer Temperatur von 100°C durchgeführt, um eine zweite lonenaustauschschicht herzustellen.
  • (S41) 1,2 g eines kohlenstoffgeträgerten Pt-Metallkatalysators, 0,005 g eines Antioxidationsmittels und 35 g Perfluorsulfonsäuren (PFSA), die Sulfonsäure als ein viertes lonomer enthalten, wurden als ein Feststoffanteil mit 275 ml eines Lösungsmittels gemischt, um ein Katalysatorverbundgemisch herzustellen. Anschließend wurde das Katalysatorverbundgemisch auf die zweite lonenaustauschschicht unter Verwenden eines Schlitzdüsenbeschichtungsverfahrens aufgebracht, Trocknen wurde bei einer Temperatur von 100°C durchgeführt und eine thermische Behandlung wurde bei einer Temperatur von 160°C durchgeführt, um schließlich eine Verbund-Elektrolytmembran einschließlich einer Katalysatorverbundschicht herzustellen. Derweil war die Dicke der ersten lonenaustauschschicht 6 µm, die Dicke der zweiten lonenaustauschschicht 1 µm und die Dicke der Katalysatorverbundschicht 5 µm.
  • Beispiel 2 - Verbund-Elektrolytmembran hergestellt durch Herstellen und Stapeln einer Katalysatorverbundschicht
  • Schritt S42 wurde anstelle von Schritt S41 verglichen zu Beispiel 1 durchgeführt, um eine Verbund-Elektrolytmembran herzustellen.
  • Insbesondere (S42) wurde das in S41 hergestellte Katalysatorverbundgemisch unter Verwenden eines Schlitzdüsen-Beschichtungsverfahrens auf Trennpapier aufgebracht und Trocknen wurde bei einer Temperatur von 100°C durchgeführt, um eine Katalysatorverbundschicht herzustellen. Anschließend wurde die Katalysatorverbundschicht mit Hilfe eines Walzenpressverfahrens auf die zweite lonenaustauschschicht übertragen und eine thermische Behandlung wurde bei einer Temperatur von 160°C durchgeführt, um eine Verbund-Elektrolytmembran herzustellen. Derweil betrug die Dicke der ersten lonenaustauschschicht 6 µm, die Dicke der zweiten lonenaustauschschicht 1 µm und die Dicke der Katalysatorverbundschicht 5 µm.
  • Vergleichsbeispiel
  • Eine erste lonomerschicht wurde durch Verwenden desselben Verfahrens wie in S10 von Beispiel 1 hergestellt, eine Verstärkungsschicht wurde nach demselben Verfahren wie in S20 von Beispiel 1 imprägniert, und eine dritte lonomerschicht wurde nach demselben Verfahren wie in S30 von Beispiel 1 beschichtet. Die Dicke der ersten lonomerschicht und die Dicke der dritten lonomerschicht waren einander gleich.
  • Experimentelles Beispiel - Vergleich von Leerlaufspannung (OCV) und Fluorelutionskonzentration zwischen Verbund-Elektrolytmembranen
  • Das Ergebnis des Vergleichs der Leerlaufspannung (OCV) zwischen den gemäß Beispiel 1 und Beispiel 2 der vorliegenden Offenbarung hergestellten Verbund-Elektrolytmembranen und der gemäß Vergleichsbeispiel hergestellten Elektrolytmembran ist in der Grafik in 4 dargestellt. Diesbezüglich ist es ersichtlich, dass die OCV-Werte der gemäß Beispiel 1 und Beispiel 2 hergestellten Verbund-Elektrolytmembranen höher waren als der OCV-Wert der gemäß Vergleichsbeispiel hergestellten Elektrolytmembran. Das heißt, es ist ersichtlich, dass eine Verbund-Elektrolytmembran gemäß der vorliegenden Offenbarung, die eine separate Katalysatorverbundschicht enthält, deren Position gesteuert wird, die Fähigkeit hat einen Nebeneffekt einer Abnahme des OCV-Wertes aufgrund von Crossover zu reduzieren.
  • Zusätzlich ist das Ergebnis des Vergleichs der nachandauernden Fluorelutionskonzentration zwischen der gemäß Beispiel 1 hergestellten Verbund-Elektrolytmembran und der gemäß dem Vergleichsbeispiel hergestellten Elektrolytmembran in der Grafik in 5 dargestellt. Diesbezüglich ist es ersichtlich, dass die gemäß Beispiel 1 hergestellte Verbund-Elektrolytmembran eine geringere Fluorelutionskonzentration hatte als die gemäß Vergleichsbeispiel hergestellte Elektrolytmembran.
  • Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, enthält die Katalysatorverbundschicht in der Verbund-Elektrolytmembran gemäß der vorliegenden Offenbarung einheitlich den Katalysator und das Antioxidationsmittel, wodurch es möglich ist, die Erzeugung von Wasserstoffperoxid durch eine Nebenreaktion zu verhindern. Zusätzlich ist die Katalysatorverbundschicht als eine separate Schicht ausgebildet, wodurch die Katalysatorverbundschicht stattdessen zersetzt wird, wodurch die Membranzersetzung selbst in dem Fall, in dem Radikale das lonomer aufgrund einer geringen Nebenreaktion angreifen, stark verhindert wird. Darüber hinaus ist es möglich, die Position der Katalysatorverbundschicht, die den Katalysator und das Antioxidationsmittel enthält, zu steuern, indem die Dicken der zweiten lonenaustauschschicht und der Katalysatorverbundschicht eingestellt werden, wodurch es möglich ist, eine spezifische Zersetzungsposition zu schützen und deshalb ist es möglich eine Lebensdauer der Membran effizient zu verbessern.
  • Die Effekte der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf die oben genannten beschränkt. Es ist davon auszugehen, dass die Effekte der vorliegenden Offenbarung alle Effekte umfassen, die sich aus der vorstehenden Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ableiten lassen.
  • Die Offenbarung wurde im Detail unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Ein Fachmann wird jedoch erkennen, dass an diesen Ausführungsformen Änderungen vorgenommen werden können, ohne von den Grundsätzen und dem Geist der Offenbarung abzuweichen, deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und deren Äquivalenten definiert ist.

Claims (19)

  1. Verbund-Elektrolytmembran, umfassend: eine erste lonenaustauschschicht, umfassend ein erstes lonomer; eine poröse Verstärkungsschicht, die sich auf der ersten lonenaustauschschicht befindet, wobei die Verstärkungsschicht mit einem zweiten lonomer imprägniert ist; eine zweite lonenaustauschschicht, die sich auf der Verstärkungsschicht befindet, wobei die zweite lonenaustauschschicht ein drittes lonomer umfasst; und eine Katalysatorverbundschicht, die sich auf der zweiten lonenaustauschschicht befindet, umfassend einen Katalysator, ein Antioxidationsmittel und ein viertes lonomer.
  2. Verbund-Elektrolytmembran gemäß Anspruch 1, wobei eine Summe einer Dicke der zweiten lonenaustauschschicht und einer Dicke der Katalysatorverbundschicht gleich einer Dicke der ersten lonenaustauschschicht ist.
  3. Verbund-Elektrolytmembran gemäß Anspruch 1, wobei eine Dicke der ersten lonenaustauschschicht 0,1 bis 10 µm ist.
  4. Verbund-Elektrolytmembran gemäß Anspruch 1, wobei eine Dicke der zweiten lonenaustauschschicht 10 bis 30 % einer Dicke der ersten lonenaustauschschicht ist.
  5. Verbund-Elektrolytmembran gemäß Anspruch 1, wobei ein Verhältnis der Dicke der zweiten lonenaustauschschicht zur Katalysatorverbundschicht 1:2 bis 9 ist.
  6. Verbund-Elektrolytmembran gemäß Anspruch 1, wobei ein Gehalt des Antioxidationsmittels 0,1 bis 10 Gewichtsteile, basierend auf 100 Gewichtsteile des vierten lonomers in der Katalysatorverbundschicht, ist.
  7. Verbund-Elektrolytmembran gemäß Anspruch 1, wobei der Katalysator mindestens ein Katalysatormetall umfasst, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Platin (Pt), Palladium (Pd), Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Gold (Au), Silber (Ag), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Molybdän (Mo) und Yttrium (Y).
  8. Verbund-Elektrolytmembran gemäß Anspruch 7, wobei ein Gehalt des Katalysatormetalls 0,1 bis 15 Gewichtsteile, basierend auf 100 Gewichtsteile des vierten lonomers in der Katalysatorverbundschicht, ist.
  9. Verbund-Elektrolytmembran gemäß Anspruch 1, wobei jedes der ersten bis vierten lonomere, die in der ersten lonenaustauschschicht, beziehungsweise der Verstärkungsschicht, der zweiten lonenaustauschschicht und der Katalysatorverbundschicht enthalten sind, mindestens eines umfasst, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem lonomer auf perfluorierter Sulfonsäure (PFSA)-Basis, einem kohlenwasserstoffbasierten lonomer und einer Kombination davon.
  10. Verfahren zum Herstellen einer Verbund-Elektrolytmembran, umfassend: Aufbringen eines ersten lonomers auf ein Trennpapier zum Herstellen einer ersten lonenaustauschschicht; Bereitstellen einer Verstärkungsschicht auf der ersten lonenaustauschschicht durch Imprägnierung mit einem zweiten lonomer; Aufbringen eines dritten lonomers auf die Verstärkungsschicht, um eine zweite lonenaustauschschicht herzustellen; und Stapeln einer Katalysatorverbundschicht, die ein Katalysatorverbundgemisch umfasst, auf die zweite lonenaustauschschicht.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei eine Summe einer Dicke der zweiten lonenaustauschschicht und einer Dicke der Katalysatorverbundschicht gleich einer Dicke der ersten lonenaustauschschicht ist.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Stapeln einer Katalysatorverbundschicht umfasst: Aufbringen eines Katalysatorverbundgemischs auf die zweite lonenaustauschschicht; und thermisches Behandeln des auf die zweite lonenaustauschschicht aufgebrachten Katalysatorverbundgemischs.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Stapeln einer Katalysatorverbundschicht umfasst: Aufbringen eines Katalysatorverbundgemischs auf Trennpapier, um eine Katalysatorverbundschicht herzustellen; und Übertragen und thermisches Behandeln der Katalysatorverbundschicht auf die zweite lonenaustauschschicht.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei eine Dicke der ersten lonenaustauschschicht 0,1 bis 10 µm ist.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei eine Dicke der zweiten lonenaustauschschicht 10 bis 30 % einer Dicke der ersten lonenaustauschschicht ist.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei ein Verhältnis der Dicke der zweiten lonenaustauschschicht zu der Katalysatorverbundschicht 1:2 bis 9 ist.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Katalysatorverbundgemisch umfasst: einen Feststoffanteil, der einen Katalysator, ein Antioxidationsmittel und ein viertes lonomer umfasst; und ein Lösungsmittel.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Katalysatorverbundgemisch 100 Gewichtsteile eines Lösungsmittels und 5 bis 30 Gewichtsteile eines Feststoffanteils umfasst.
  19. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei jedes der ersten bis vierten lonomere, die in der ersten lonenaustauschschicht, der Verstärkungsschicht, der zweiten lonenaustauschschicht und der Katalysatorverbundschicht enthalten sind, mindestens eines umfasst, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem lonomer auf Basis perfluorierter Sulfonsäure (PFSA), einem kohlenwasserstoffbasierten lonomer und einer Kombination davon.
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