DE102023102497A1 - MEMBRANE-ELECTRODE ARRANGEMENT FOR A FUEL CELL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle und insbesondere eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, die mit einer Kombination aus einem Direktbeschichtungsverfahren und einem Decal-Verfahren hergestellt wird, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung derselben. Zu diesem Zweck wird ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: einen Vorbereitungsschritt, bei dem unabhängig voneinander durchgeführt werden: ein Oxidationselektroden-Vorbereitungsschritt S100, bei dem eine Oxidationselektrode 20 gebildet wird, indem eine Elektrodenaufschlämmung durch eine Sprühvorrichtung 60 direkt auf eine Elektrolytmembran 30 gesprüht wird, und ein Reduktionselektroden-Vorbereitungsschritt S120, bei dem eine Reduktionselektrode 40 gebildet wird, indem Elektrodenaufschlämmung direkt auf ein Trennpapier 50 aufgesprüht wird, ein Schritt S140, bei dem die Elektrolytmembran 30, auf die die Oxidationselektrode 20 aufgebracht ist, und das Trennpapier 50, auf das die Reduktionselektrode 40 aufgebracht ist, laminiert werden und die Elektrolytmembran 30 und dasTrennpapier50 durch ein Decal-Verfahren übertragen werden, ein Schritt S160, bei dem das Trennpapier 50 abgetrennt wird, und ein Schritt S180, bei dem eine Membran-Elektroden-Anordnung 10 fertiggestellt wird.The present disclosure relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell, and more particularly to a membrane electrode assembly for a fuel cell manufactured using a combination of a direct coating process and a decal process, and to a method for producing the same. For this purpose, a method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell is provided, the method comprising: a preparation step, in which are independently carried out: an oxidation electrode preparation step S100, in which an oxidation electrode 20 is formed by an electrode slurry is sprayed directly onto an electrolyte membrane 30 by a sprayer 60, and a reduction electrode preparation step S120, in which a reduction electrode 40 is formed by spraying electrode slurry directly onto a release paper 50, a step S140, in which the electrolyte membrane 30 is formed on which the oxidation electrode 20 is applied and the release paper 50 on which the reduction electrode 40 is applied are laminated and the electrolyte membrane 30 and the release paper 50 are transferred by a decal method, a step S160 in which the release paper 50 is separated, and a Step S180, in which a membrane-electrode assembly 10 is completed.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle und insbesondere eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, die mit einer Kombination aus einem Direktbeschichtungsverfahren und einem Decal-Verfahren hergestellt wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben.The present disclosure relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell, and more particularly to a membrane electrode assembly for a fuel cell manufactured using a combination of a direct coating process and a decal process, and a method for producing the same.
Beschreibung des Standes der TechnikDescription of the prior art
Als Brennstoffzelle wird ein Stromerzeugungssystem bezeichnet, das die Energie eines Brennstoffs durch eine chemische Reaktion direkt in elektrische Energie umwandelt. Beispielsweise gewinnt die Brennstoffzelle elektrische Energie durch eine Reaktion, bei der aus Wasserstoff und Sauerstoff Wasser erzeugt wird, d.h. durch eine Oxidationsreaktion von Wasserstoff. Brennstoffzellen werden je nach Art der dafür verwendeten Elektrolyte unterteilt in Phosphorsäure-Brennstoffzellen, Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen, Festoxid-Brennstoffzellen, Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen, alkalische Brennstoffzellen und dergleichen mehr. Brennstoffzellen arbeiten jeweils grundsätzlich nach dem gleichen Prinzip, unterscheiden sich aber hinsichtlich der verwendeten Brennstoffarten, Betriebstemperaturen, Katalysatoren, Elektrolyte und dergleichen.A fuel cell is a power generation system that converts the energy of a fuel directly into electrical energy through a chemical reaction. For example, the fuel cell obtains electrical energy through a reaction in which water is produced from hydrogen and oxygen, i.e. through an oxidation reaction of hydrogen. Depending on the type of electrolytes used, fuel cells are divided into phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, polymer electrolyte membrane fuel cells, alkaline fuel cells and the like. Fuel cells basically work on the same principle, but differ in terms of the types of fuel used, operating temperatures, catalysts, electrolytes and the like.
Unter den Brennstoffzellen hat die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) eine sehr gute Leistungscharakteristik, eine niedrige Betriebstemperatur und ein schnelles Start- und Ansprechverhalten im Vergleich mit anderen Brennstoffzellen. Der Anwendungsbereich der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle ist zudem breit gefächert; so verwendet man die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle als tragbare Stromquelle für ein tragbares elektronisches Gerät, als transportable Stromquelle, z.B. als Stromquelle für ein Fahrzeug, oder als Dispersionserzeugungs-Stromquelle, z.B. als umweltfreundliches Stromerzeugungssystem für ein Wohnhaus oder öffentliches Gebäude.Among fuel cells, the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) has very good performance characteristics, low operating temperature and fast start-up and response characteristics compared to other fuel cells. The scope of application of the polymer electrolyte membrane fuel cell is also broad; For example, the polymer electrolyte membrane fuel cell is used as a portable power source for a portable electronic device, a transportable power source such as a power source for a vehicle, or a dispersion generation power source such as an environmentally friendly power generation system for a home or public building.
Die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle verfügt über eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) als Grundbestandteil zur Erzeugung von Elektrizität durch das Hervorrufen einer elektrochemischen Reaktion mit Brennstoff. Die Membran-Elektroden-Anordnung umfasst eine Elektrolytmembran und eine Oxidationselektrode (eine Anodenelektrode oder Brennstoffelektrode) sowie eine Reduktionselektrode (eine Kathodenelektrode oder Luftelektrode), die auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen der Elektrolytmembran angeordnet sind. Dabei enthalten die Elektroden typischerweise jeweils eine Katalysatorschicht und eine Diffusionsschicht. Die Diffusionsschicht besteht typischerweise aus einer mikroporösen Schicht und einer Trägerschicht. Allgemein werden Membran-Elektroden-Anordnungen im Wesentlichen nach zwei Verfahren hergestellt.The polymer electrolyte membrane fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA) as a basic component to generate electricity by causing an electrochemical reaction with fuel. The membrane-electrode assembly includes an electrolyte membrane and an oxidation electrode (an anode electrode or fuel electrode) and a reduction electrode (a cathode electrode or air electrode) disposed on two opposing surfaces of the electrolyte membrane. The electrodes typically each contain a catalyst layer and a diffusion layer. The diffusion layer typically consists of a microporous layer and a carrier layer. In general, membrane electrode assemblies are essentially manufactured using two processes.
Erstens wird als Direktbeschichtungsverfahren ein Verfahren bezeichnet, bei dem eine Elektrolytmembran (lonenleitermembran) durch direktes Aufsprühen des Elektrodenmaterials mit einer Sprühvorrichtung wie einer Airbrush mit einem Elektrodenmaterial (Elektrodenschlamm) beschichtet wird. Wenn die Elektrode dick ist, muss beim Direktbeschichtungsverfahren das Elektrodenmaterial kontinuierlich mit zehn bis zwanzig Düsen aufgesprüht werden, da eine Bildung der Elektrode durch nur einmaliges Aufsprühen des Elektrodenmaterials mit der Düse schwierig ist. Es besteht daher das Problem, dass die Ausrüstung im Volumen zunimmt und teuer ist. Das Direktbeschichtungsverfahren hat außerdem den Nachteil, dass bei großen Schichtdicken während des Beschichtungs- und Trocknungsvorgangs feine Löcher oder Risse entstehen.First, a direct coating process is a process in which an electrolyte membrane (ionic conductor membrane) is coated with an electrode material (electrode slurry) by directly spraying the electrode material with a spray device such as an airbrush. In the direct coating method, if the electrode is thick, the electrode material must be sprayed continuously with ten to twenty nozzles, because it is difficult to form the electrode by spraying the electrode material only once with the nozzle. Therefore, there is a problem that the equipment increases in volume and is expensive. The direct coating process also has the disadvantage that fine holes or cracks arise during the coating and drying process when the layer thickness is large.
Zweitens wird als Decal-Verfahren ein Verfahren bezeichnet, bei dem eine Elektrodenschicht (eine Anode und eine Kathode) erzeugt wird, indem eine Elektrodenaufschlämmung, die durch Mischen eines Katalysators, eines lonomers und eines Lösungsmittels entsteht, auf einen Trägerkörper aus einer Trennfolie wie z.B. einer Teflon- oder Imidfolie aufgebracht wird und die Elektrodenaufschlämmung getrocknet wird, die Elektrodenschicht mit zwei gegenüberliegenden Oberflächen einer Elektrolytmembran (Ionenleitermembran) ausgerichtet wird und dann durch Anwendung von Wärme und Druck übertragen wird. Beim Decal-Verfahren müssen zur Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung gleichzeitig Wärme und Druck angewendet werden. Hierzu erfolgt beim Decal-Verfahren eine Heißübertragung mithilfe einer flachen Plattenpresse oder einer Walzenpresse.Secondly, a decal process is a process in which an electrode layer (an anode and a cathode) is produced by applying an electrode slurry formed by mixing a catalyst, an ionomer and a solvent onto a support body made of a release film such as a decal process Teflon or imide film is applied and the electrode slurry is dried, the electrode layer is aligned with two opposing surfaces of an electrolyte membrane (ion conductor membrane) and then transferred by applying heat and pressure. In the decal process, heat and pressure must be applied simultaneously to produce the membrane-electrode arrangement. The decal process involves hot transfer using a flat plate press or a roller press.
Beim Decal-Verfahren mussjedoch die Elektrodenschicht (Anode und Kathode) übertragen werden, und es müssen heiße Druckabschnitte auf derselben Fläche vorhanden sein, um die Elektrodenschicht durch Anwendung einer Kraft von zwei gegenüberliegenden Seiten zu übertragen. Bei einer variierenden Elektrodengröße variiert die Dicke an verschiedenen Abschnitten, so dass Wärme und Druck nicht übertragen werden, was zu dem Problem führen kann, dass die Elektrode und die Elektrolytmembran nicht übertragen werden. Es müssen daher eine Anode und eine Kathode mit gleicher Größe verwendet werden.However, the decal process requires the electrode layer (anode and cathode) to be transferred and hot printed sections to be present on the same surface to achieve the Transfer electrode layer by applying force from two opposite sides. With varying electrode size, the thickness varies at different portions, so heat and pressure are not transferred, which may cause the problem that the electrode and electrolyte membrane are not transferred. An anode and a cathode of the same size must therefore be used.
Wenn sich die Elektrode beim Decal-Verfahren in einer Rolle-zu-Rolle-Anlage (von einem Abwickler zu einem Aufwickler) bewegt, gelangt außerdem eine Oberfläche der aufgetragenen Elektrodenschicht mit einer Führungsrolle in Kontakt. Nach dem Auftrag der Elektrodenschicht ist daher eine Oberfläche der Elektrodenschicht einer Bahn durch den Kontakt mit der Führungsrolle beschädigt. Durch die Beschädigung der Oberfläche der Elektrodenschicht verringert sich die Leistung der Membran-Elektroden-Anordnung.In addition, when the electrode moves in a roll-to-roll system (from an unwinder to a rewinder) in the decal process, a surface of the applied electrode layer comes into contact with a guide roller. After the electrode layer has been applied, a surface of the electrode layer of a web is therefore damaged by contact with the guide roller. Damaging the surface of the electrode layer reduces the performance of the membrane-electrode arrangement.
Zur Herstellung einer Oxidationselektrode im Decal-Verfahren muss außerdem eine vorbestimmte oder größere Menge an lonomeren zugeführt werden. Dies liegt daran, dass die Übertragung bei einer kleinen Menge an lonomeren nicht korrekt erfolgt, da das lonomer als Bindemittel dient. Bei einer Erhöhung der lonomermenge zur Durchführung der Übertragung zieht jedoch die Sulfongruppe (-SO2-) des Ionomers eine große Menge Wasser an, was zum Problem einer Überschwemmung der Vorrichtung führen kann.To produce an oxidation electrode using the decal process, a predetermined or larger amount of ionomers must also be supplied. This is because the transfer does not occur correctly with a small amount of ionomer as the ionomer acts as a binder. However, when increasing the amount of ionomer to perform transfer, the sulfone group (-SO2-) of the ionomer attracts a large amount of water, which may cause the problem of flooding of the device.
Da bei der Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung mithilfe nur des Decal-Verfahrens die Oxidationselektrode nicht korrekt übertragen wird, ist außerdem durchgängig eine Hochtemperatur- und Hochdruck-Walzenübertragung erforderlich, um die Oxidationselektrode zu übertragen. Es besteht daher das Problem, dass sogar die Poren einer Reduktionselektrode beschädigt werden können.In addition, since the oxidation electrode is not transferred correctly when manufacturing the membrane-electrode assembly using only the decal process, high-temperature and high-pressure roller transfer is required throughout to transfer the oxidation electrode. Therefore, there is a problem that even the pores of a reduction electrode may be damaged.
[Dokumente des Standes der Technik][Prior Art Documents]
[Patentdokumente][patent documents]
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(Patentdokument 1) 1. Koreanische Patent-Offenlegungsschrift Nr.
10-2007-0039369 10-2007-0039369 -
(Patentdokument 2) 2. Koreanisches Patent Nr.
10-1758960 10-1758960 -
(Patentdokument 3) 3. Koreanisches Patent Nr.
10-2238261 10-2238261
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Die vorliegende Offenbarung wurde zur Lösung der oben genannten Probleme erstellt und hatzurAufgabe die Schaffung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, die mit einer Kombination aus einem Direktbeschichtungsverfahren und einem Decal-Verfahren hergestellt wird, sowie eines Verfahrens zur Herstellung derselben.The present disclosure was made to solve the above-mentioned problems and has as its object to provide a membrane-electrode assembly for a fuel cell manufactured by a combination of a direct coating process and a decal process, and a method for producing the same.
Die technischen Probleme, die durch die vorliegende Offenbarung gelöst werden sollen, sind jedoch nicht auf die oben genannten beschränkt, und für den Fachmann auf dem Gebiet der vorliegenden Offenbarung sind weitere technische Probleme, die oben nicht erwähnt sind, aus den folgenden Beschreibungen deutlich ersichtlich.However, the technical problems to be solved by the present disclosure are not limited to those mentioned above, and for those skilled in the art of the present disclosure, other technical problems not mentioned above will be clearly apparent from the following descriptions.
Zur Lösung der oben genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: einen Vorbereitungsschritt, bei dem unabhängig voneinander durchgeführt werden: ein Oxidationselektroden-Vorbereitungsschritt S100, bei dem eine Oxidationselektrode 20 gebildet wird, indem eine Elektrodenaufschlämmung durch eine Sprühvorrichtung 60 direkt auf eine Elektrolytmembran 30 gesprüht wird, und ein Reduktionselektroden-Vorbereitungsschritt S120, bei dem eine Reduktionselektrode 40 gebildet wird, indem Elektrodenaufschlämmung direkt auf ein Trennpapier 50 aufgesprüht wird; ein Schritt S140, bei dem die Elektrolytmembran 30, auf die die Oxidationselektrode 20 aufgebracht ist, und das Trennpapier 50, auf das die Reduktionselektrode 40 aufgebracht ist, laminiert werden und die Elektrolytmembran 30 und dasTrennpapier50 durch ein Decal-Verfahren übertragen werden; ein Schritt S160, bei dem das Trennpapier 50 abgetrennt wird, und ein Schritt S180, bei dem eine Membran-Elektroden-Anordnung 10 fertiggestellt wird.To solve the above-mentioned object, a method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell is provided, the method comprising the following: a preparation step in which independently carried out: an oxidation electrode preparation step S100 in which an
Im Oxidationselektroden-Vorbereitungsschritt S100 kann die Sprühvorrichtung 60 die Elektrodenaufschlämmung so aufsprühen, dass eine Oxidationselektrode 20 mit einer ersten Dicke gebildet wird und eine Oxidationselektrode 20 mit einer zweiten Dicke, die größer als die erste Dicke ist, an einem Teilabschnitt gebildet wird.In the oxidation electrode preparation step S100, the
Außerdem kann die Oxidationselektrode 20 mit der zweiten Dicke Folgendes aufweisen: eine erste lokale Elektrode 22, die an einer Seite gebildet ist, auf der Wasserstoff eingeleitet wird; und eine zweite lokale Elektrode 24, die an einer Seite gebildet ist, auf der Sauerstoff eingeleitet wird, wobei die Seite der ersten lokalen Elektrode 22 gegenüberliegt.In addition, the
Des Weiteren kann die erste Dicke 5 bis 10 µm betragen und die zweite Dicke 11 bis 20 µm betragen.Furthermore, the first thickness can be 5 to 10 μm and the second thickness can be 11 to 20 μm.
Des Weiteren kann die Menge an lonomeren, die zur Elektrodenbindung im Oxidationselektroden-Vorbereitungsschritt S100 verwendet wird, kleiner als die Menge an lonomeren sein, die zur Elektrodenbindung im Reduktionselektroden-Vorbereitungsschritt S120 verwendet wird.Furthermore, the amount of ionomers used for electrode bonding in the oxidation electrode preparation step S100 may be smaller than the amount of ionomers used for electrode bonding in the reduction electrode preparation step S120.
Darüber hinaus kann eine niedrige Temperatur im Bereich von 100 bis 120°C liegen, und ein niedriger Druck liegt im Bereich von 20 bis 50 kgf/cm2.Furthermore, a low temperature may be in the range of 100 to 120°C, and a low pressure is in the range of 20 to 50 kgf/cm 2 .
Eine Dicke der Elektrolytmembran 30 kann außerdem 5 bis 20 µm betragen.A thickness of the
Zur Lösung der oben genannten Aufgabe wird eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung Folgendes aufweist: eine Oxidationselektrode 20; eine Elektrolytmembran 30 und eine Reduktionselektrode 40, wobei die Elektrolytmembran 30 eine Dicke im Bereich von 5 bis 20 µm hat, wobei die Oxidationselektrode 20 eine Dicke von 5 bis 10 µm hat, wobei die Oxidationselektrode 20 durch ein Direktbeschichtungsverfahren auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 30 gebildet ist, wobei die Oxidationselektrode 20 Folgendes aufweist: eine erste lokale Elektrode 22 mit einer Dicke im Bereich von 11 bis 20 µm, die auf einer Seite gebildet ist, auf der Wasserstoff eingeleitet wird; und eine zweite lokale Elektrode 24 mit einer Dicke im Bereich von 11 bis 20 µm, die auf einer Seite gebildet ist, auf der Sauerstoff eingeleitet wird, wobei die Seite der ersten lokalen Elektrode 22 gegenüberliegt, und die Oxidationselektrode eine Dicke im Bereich von 5 bis 20 µm hat, wobei die Reduktionselektrode 40 auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran 30 durch ein Decal-Verfahren gebildet ist, und wobei das Decal-Verfahren bei einer niedrigen Temperatur im Bereich von 100 bis 120°C und einem niedrigen Druck im Bereich von 20 bis 50 kgf/cm2 durchgeführt ist.To achieve the above-mentioned object, a membrane-electrode arrangement for a fuel cell is provided, the membrane-electrode arrangement having the following: an
Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann die Oxidationselektrode durch die Direktbeschichtung so gebildet werden, dass ihre Dicke etwa 1/2- bis 1/10-mal geringer als eine Dicke der Reduktionselektrode ist. Ferner kann die Reduktionselektrode durch die Anwendung des Decal-Verfahrens in ausreichender Dicke verbunden werden.According to the embodiment of the present disclosure, the oxidation electrode can be formed by the direct coating so that its thickness is about 1/2 to 1/10 times smaller than a thickness of the reduction electrode. Furthermore, the reduction electrode can be connected in sufficient thickness by using the decal method.
Außerdem wird die Oxidationselektrode direkt auf die Elektrolytmembran aufgebracht, so dass die in der Elektrodenaufschlämmung enthaltenen organischen Lösungsmittel eine Oberfläche der Elektrolytmembran auflösen. Eine Grenzflächenverbindungskraft zwischen der Elektrolytmembran und der Oxidationselektrode kann daher gegenüber dem Decal-Verfahren stark erhöht werden.In addition, the oxidation electrode is applied directly to the electrolyte membrane so that the organic solvents contained in the electrode slurry dissolve a surface of the electrolyte membrane. An interfacial bonding force between the electrolyte membrane and the oxidation electrode can therefore be greatly increased compared to the decal method.
Wenn die Oxidationselektrode direkt auf die Elektrolytmembran aufgebracht wird, variiert außerdem die direkte Beschichtungje nach Position, so dass die Dicke variieren kann und die Haltbarkeit der Oxidationselektrode verbessert werden kann. Insbesondere hat in einem Bereich, in dem sich Verteiler für Wasserstoff und Sauerstoff befinden, die Oxidationselektrode eine hohe Dicke, so dass sie über einen langen Zeitraum verwendet werden kann, ohne sich abzutrennen oder verloren zu gehen.In addition, when the oxidation electrode is applied directly to the electrolyte membrane, the direct coating varies depending on the position, so that the thickness can vary and the durability of the oxidation electrode can be improved. Particularly, in an area where hydrogen and oxygen distributors are located, the oxidation electrode has a large thickness so that it can be used for a long period of time without being separated or lost.
Da die Oxidationselektrode direkt aufgebracht wird, kann die Menge an verwendeten lonomeren gegenüber dem Decal-Verfahren minimiert werden. Dies löst sehr wirksam das Problem einer Überschwemmung der Membran-Elektroden-Anordnung.Since the oxidation electrode is applied directly, the amount of ionomers used can be minimized compared to the decal process. This very effectively solves the problem of flooding of the membrane-electrode assembly.
Da außerdem eine ausreichende Menge an lonomeren für die Reduktionselektrode verwendet wird, kann mit einer Verbesserung der Leistung der Brennstoffzelle gerechnet werden. Dies hat den Grund, dass bei der Menge der lonomere an der Reduktionselektrode im Vergleich zur Oxidationselektrode weniger leicht eine Beeinträchtigung durch Überschwemmung erfolgt.In addition, since a sufficient amount of ionomers is used for the reduction electrode, an improvement in the performance of the fuel cell can be expected. The reason for this is that the amount of ionomers on the reduction electrode is less likely to be affected by flooding compared to the oxidation electrode.
Darüber hinaus wird beim Decal-Verfahren des Übertragungsschritts S140 die Reduktionselektrode bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck auf die Elektrolytmembran übertragen, so dass eine hohe Porosität der Reduktionselektrode gewahrt bleiben, die Porengröße erhöht und die elektrochemische Leistung verbessert werden kann. Da das Decal-Verfahren des Übertragungsschritts S140 bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur durchgeführt wird, kann ferner die Dicke der Elektrolytmembran beibehalten und die Haltbarkeit der Membran-Elektroden-Anordnung verbessert werden.In addition, in the decal process of transfer step S140, the reduction electrode is transferred to the electrolyte membrane at low temperature and pressure, so that high porosity of the reduction electrode can be maintained, the pore size can be increased, and the electrochemical performance can be improved. Furthermore, since the decal process of the transfer step S140 is performed at low pressure and low temperature, the thickness of the electrolyte membrane can be maintained and the durability of the membrane-electrode assembly can be improved.
Die mit der vorliegenden Offenbarung erzielbaren Wirkungen sind jedoch nicht auf die vorgenannten beschränkt, und der Fachmann kann aus derfolgenden Beschreibung auch weitere Wirkungen ersehen, die oben nicht erwähnt sind.However, the effects that can be achieved with the present disclosure are not limited to those mentioned above, and those skilled in the art can also see other effects not mentioned above from the following description.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
Die folgenden Zeichnungen, die der vorliegenden Spezifikation beigefügt sind, veranschaulichen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und dienen zusammen mit der folgenden detaillierten Beschreibung zum besseren Verständnis des technischen Gedankens der vorliegenden Offenbarung. Diese ist nicht als auf die in den Zeichnungen dargestellten Elemente beschränkt auszulegen.
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1 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; -
2 ist ein Prozessdiagramm, das schematisch ein Verfahren zur Herstellung der in1 dargestellten Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle zeigt; und -
3 ist ein Flussdiagramm, das schematisch das Verfahren zur Herstellung der in1 dargestellten Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle zeigt.
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1 is an enlarged cross-sectional view of a membrane electrode assembly for a fuel cell according to an embodiment of the present disclosure; -
2 is a process diagram that schematically shows a process for producing the in1 shown membrane-electrode arrangement for a fuel cell; and -
3 is a flowchart schematically showing the process for producing the in1 shown membrane electrode arrangement for a fuel cell.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMDETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENT
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben, damit Fachleute auf dem technischen Gebiet der vorliegenden Offenbarung die Ausführungsform leicht ausführen können. Da die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung jedoch nur eine Ausführungsform zur strukturellen und funktionellen Beschreibung ist, ist der Schutzumfang dervorliegenden Offenbarung nicht so zu verstehen, dass er auf die in der vorliegenden Anmeldung beschriebene Ausführungsform beschränkt ist. Da die Ausführungsform auf verschiedene Weise verändert werden und verschiedene Formen haben kann, ist also der Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung so zu verstehen, dass er Äquivalente zur Verwirklichung des technischen Gedanken einschließt. Dass in der vorliegenden Offenbarung ein bestimmter Gegenstand oder eine bestimmte Wirkung vorgeschlagen wird, bedeutet zudem nicht, dass die spezifische Ausführungsform alle Wirkungen oder eine solche Wirkung haben muss. Der Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung ist daher nicht so zu verstehen, dass er auf diesen Gegenstand oder diese Wirkung begrenzt ist.Hereinafter, an embodiment of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the technical field of the present disclosure can easily carry out the embodiment. However, since the description of the present disclosure is only one embodiment for structural and functional description, the scope of the present disclosure should not be construed as being limited to the embodiment described in the present application. Therefore, since the embodiment may be varied in various ways and take various forms, the scope of the present disclosure is to be understood to include equivalents for realizing the technical idea. Furthermore, the fact that a particular object or effect is suggested in the present disclosure does not mean that the specific embodiment must have all effects or such effect. The scope of the present disclosure should therefore not be construed as being limited to this subject matter or effect.
Die Bedeutung der in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Begriffe ist wie folgt zu verstehen.The meaning of the terms described in the present disclosure is to be understood as follows.
Begriffe wie „erster“ und „zweiter“ werden verwendet, um einen Bestandteil von anderen Bestandteilen zu unterscheiden, jedoch wird der Schutzumfang durch diese Begriffe nicht eingeschränkt. So kann beispielsweise ein erster Bestandteil als zweiter Bestandteil bezeichnet werden oder ebenso der zweite Bestandteil als erster Bestandteil bezeichnet werden. Wird ein Bestandteil als mit einem anderen Bestandteil „verbunden“ bezeichnet, so ist dies so zu verstehen, dass der Bestandteil direkt mit einem anderen Bestandteil verbunden sein kann oder auch zwischen den beiden ein Zwischenbestandteil vorhanden sein. Wird ein Bestandteil als mit einem anderen Bestandteil „direkt verbunden“ beschrieben, so ist dies so zu verstehen, dass sich zwischen den Bestandteilen kein Zwischenbestandteil befindet. Weitere Ausdrücke wie „zwischen“ oder „gerade zwischen“ oder „angrenzend an“ und „direkt angrenzend an“, die eine Beziehung zwischen Bestandteilen beschreiben, sind in ähnlicher Weise auszulegen.Terms such as “first” and “second” are used to distinguish one component from other components, but these terms do not limit the scope of protection. For example, a first component can be referred to as a second component or the second component can also be referred to as a first component. When a component is described as being “connected” to another component, this is to be understood to mean that the component may be directly connected to another component or there may be an intermediate component between the two. When a component is described as being “directly connected” to another component, this should be understood to mean that there is no intermediate component between the components. Other expressions such as “between” or “just between” or “adjacent to” and “immediately adjacent to” which describe a relationship between components should be construed in a similar manner.
Ausdrücke im Singularsind so zu verstehen, dass sie auch solche im Plural einschlie-ßen, sofern im Kontext nicht deutlich als bedeutungsverschieden beschrieben. Die Ausdrücke „umfasst“, „umfassend“, „weist auf“, „aufweisend“, „enthaltend“, „hat“, „mit“ oder Variationen davon sind inklusiv zu verstehen und geben somit das Vorhandensein der genannten Merkmale, ganzen Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Kombinationen daraus an, schließen aber nicht aus, dass auch ein oder mehrere andere Merkmale, ganze Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Kombinationen daraus vorhanden sein oder hinzugefügt werden können.Expressions in the singular are to be understood to include those in the plural, unless clearly described in the context as having different meanings. The expressions “comprises”, “comprising”, “has”, “having”, “containing”, “has”, “with” or variations thereof are to be understood inclusively and thus indicate the presence of the mentioned features, integers, steps , operations, elements, components and/or combinations thereof, but does not exclude that one or more other features, integers, steps, operations, elements, components and/or combinations thereof may also be present or added.
Sofern nicht anders definiert, können alle hier verwendeten Begriffe die Bedeutung haben, in der sie von Fachleuten auf dem Gebiet der vorliegenden Offenbarung allgemein verstanden werden. Begriffe, wie sie etwa in allgemein gebräuchlichen Wörterbüchern definiert sind, sind so zu verstehen, dass ihre Bedeutung mit den Bedeutungen im Kontext verwandter Technologien übereinstimmt, und sind nicht in idealen oder übermäßig formalisierten Bedeutungen zu verstehen, sofern in der vorliegenden Offenbarung nicht ausdrücklich so definiert.Unless otherwise defined, all terms used herein may have the meaning generally understood by those skilled in the art of the present disclosure. Terms, such as those defined in commonly used dictionaries, are to be understood so that their meanings are consistent with meanings in the context of related technologies and are not to be understood in ideal or overly formalized meanings unless expressly so defined in the present disclosure .
KONFIGURATION DERAUSFÜHRUNGSFORMEMBODIMENT CONFIGURATION
Im Folgenden wird eine Konfiguration einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
An der Oxidationselektrode 20 werden bei einer Oxidationsreaktion des Kraftstoffs Wasserstoffionen und Elektronen erzeugt. Die Wasserstoffionen wandern durch die Elektrolytmembran 30 zur Reduktionselektrode 40. Die Oxidationselektrode (die Anodenelektrode oder Brennstoffelektrode) 20 wird durch ein Direktbeschichtungsverfahren auf einer oberen Fläche der Elektrolytmembran 30 gebildet und hat eine Dicke im Bereich von 5 bis 10 µm. Die Oxidationselektrode 20 weist Folgendes auf: eine erste lokale Elektrode 22 mit einer größeren Dicke im Bereich von 11 bis 20 µm, die an einer Seite angeordnet ist, auf der Wasserstoff eingeleitet wird; und eine zweite lokale Elektrode 24 mit einer größeren Dicke im Bereich von 11 bis 20 µm, die an einer Seite angeordnet ist, auf der Sauerstoff eingeleitet wird, wobei die Seite der ersten lokalen Elektrode 22 gegenüberliegt.Hydrogen ions and electrons are generated at the
Die erste und die zweite lokale Elektrode 22 und 24 können dicker aufgebracht werden (ein Unterschied in der Belastung) als die Oxidationselektrode 20, wenn sich eine Sprühvorrichtung 60 beim Versprühen eines Materials mehrere Male hin und her bewegt oder eine größere Materialmenge versprüht. Die erste und die zweite lokale Elektrode 22 und 24 verbessern die Lebensdauer und Zuverlässigkeit, indem sie das Abtrennen oder den Verlust der Oxidationselektrode 20 aufgrund der Strömungsgeschwindigkeiten von Wasserstoff und Sauerstoff verhindern.The first and second
Im Vergleich mit anderen Reaktionsbereichen kommt es dabei weitergehend zu einem Problem wie etwa dem Verlust eines Katalysators, da an einem Einlass und einem Auslass für ein Reaktandgas in einem Reaktionsbereich der Membran-Elektroden-Anordnung 10 unterschiedliche Drücke und Reaktivitäten auftreten. Dagegen können mit der ersten und zweiten Elektrode 22 und 24 gemäß der vorliegenden Offenbarung solche Probleme gelöst werden.In comparison with other reaction areas, there is a further problem such as the loss of a catalyst, since different pressures and reactivities occur at an inlet and an outlet for a reactant gas in a reaction area of the membrane-
Da die Oxidationselektrode 20 direkt auf die Elektrolytmembran 30 aufgebracht wird, lösen zudem die in der Elektrodenaufschlämmung enthaltenen organischen Lösungsmittel eine Oberfläche der Elektrolytmembran 30 unregelmäßig auf. Die Grenzflächenverbindungskraft zwischen der Elektrolytmembran 30 und der Oxidationselektrode 20 kann daher gegenüber dem Decal-Verfahren stark erhöht werden.In addition, since the
An der Reduktionselektrode (der Kathoden- oder Luftelektrode) 40 bildet sich außerdem Wasser durch eine Reaktion zwischen Wasserstoffionen und Elektronen, die durch die Elektrolytmembran 30 übertragen werden, und Sauerstoff, der ein Oxidans ist. Durch die Reaktion werden die Elektronen in einem externen Kreislauf bewegt. Die Reduktionselektrode 40 wird durch das Decal-Verfahren auf einer unteren Fläche der Elektrolytmembran 30 gebildet. Das Decal-Verfahren wird bei niedriger Temperatur im Bereich von 100 bis 120°C und niedrigem Druck im Bereich von 20 bis 50 kgf/cm2 durchgeführt.Water is also formed at the reduction electrode (the cathode or air electrode) 40 through a reaction between hydrogen ions and electrons transferred through the
Die Reduktionselektrode 40 wird nicht korrekt auf ein Trennpapier 50 übertragen, wenn die Temperatur unter 100 °C liegt. Bei einer Temperatur von mehr als 120°C besteht die Gefahr einer strukturellen Degeneration des Polymers der Elektrolytmembran 30. Wenn der Übertragungsdruck weniger als 20 kgf/cm2 beträgt, wird die Elektrolytmembran 30 kaum auf das Trennpapier 50 übertragen. Bei einem Übertragungsdruck von mehr als 50 kgf/cm2 werden die Oxidationselektrode 20 und die Reduktionselektrode 40 beschädigt, und die Anzahl der Poren verringert sich. Zum Vergleich beträgt beim allgemeinen Decal-Verfahren die Übertragungstemperatur 120 bis 150 °C und der Übertragungsdruck 100 bis 200 kgf/cm2.The
Eine Dicke der Elektrolytmembran 30 kann außerdem 5 bis 20 µm betragen. Mit abnehmender Dicke wird eine Membran-Elektroden-Anordnung 10 mit hoher Leistung realisiert. Wenn die Dicke weniger als 5 µm beträgt, wird die Elektrolytmembran 30 leicht beschädigt. Bei einer Dicke von mehr als 20 µm verringert sich die Leistung der Membran-Elektroden-Anordnung 10.A thickness of the
Zur Bildung der Oxidationselektrode 20 oder der Reduktionselektrode 40 werden Ionomere verwendet. Das lonomer dient als Bindemittel und bietet einen Durchgang, durch den Ionen, die durch eine Reaktion zwischen einem Katalysator und einem Brennstoff wie Wasserstoff oder Methanol entstehen, zur Elektrolytmembran wandern. Insbesondere kann als Polymer-Ionomer sulfoniertes Polytetrafluorethylen-Ionomer odersulfoniertes Polymer wie etwa sulfoniertes Polytrifluorstyrol verwendet werden.Ionomers are used to form the
In der Oxidationselektrode 20 kann der verwendete Anteil des Ionomers bei einer Minimalmenge von 20 bis 50 Gewichtsteilen liegen, bezogen auf 100 Gewichtsteile, die Gesamtmenge an Kohlenstoff und Katalysator. Wenn lonomer in einer Menge von weniger als 20 Gewichtsteilen verwendet wird, kann es zu Problemen kommen, da in einer Katalysatorschicht kein richtiger Ionenübertragungsdurchgang gebildet wird und die durch die Katalysatorreaktion erzeugten Ionen sich nicht ungehindert bewegen können. Übersteigt die Menge dagegen 50 Gewichtsteile, so bedeckt das lonomer die Katalysatorschicht, was zu dem Problem führen kann, dass die Reaktion zwischen dem Katalysator und dem Brennstoff nicht leicht ausführbar ist. Die bevorzugte Mindestmenge kann 30 bis 40 Gewichtsteile betragen.In the
In der Oxidationselektrode 40 kann der verwendete Anteil des Ionomers bei einer Minimalmenge von 40 bis 80 Gewichtsanteilen liegen, bezogen auf 100 Gewichtsanteile, die die Gesamtmenge an Kohlenstoff und Katalysator bilden. Wahlweise kann eine ausreichende Menge von 80 Gewichtsteilen oder mehr verwendet werden.In the
Das lonomer ist ein Polymer, das durch Verbrückung eines Copolymers aus Ethylen und Acrylsäure oder Methacrylsäure mit Metallionen (Ca2+, Ba2+, Zn2+ und dergleichen) hergestellt wird. Es kann ein Reaktionsprodukt aus einem Monomer, das Phthalazinon und eine Phenolgruppe enthält, und mindestens einer sulfonierten aromatischen Verbindung verwendet werden, d.h. ein Copolymer aus sulfoniertem Poly(phthalazinonetherketon), sulfoniertem Poly(phthalazinon oder-sulfon), sulfonierter aromatischer Polymerverbindung, Tetrafluorethylen und Fluorvinylether.The ionomer is a polymer prepared by bridging a copolymer of ethylene and acrylic acid or methacrylic acid with metal ions (Ca 2+ , Ba 2+ , Zn 2+ and the like). A reaction product of a monomer containing phthalazinone and a phenol group and at least one sulfonated aromatic compound can be used, that is, a copolymer of sulfonated poly(phthalazinone ether ketone), sulfonated poly(phthalazinone or sulfone), sulfonated aromatic polymer compound, tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether .
FUNKTIONSWEISE DER AUSFÜHRUNGSFORMHOW THE EMBODIMENT FUNCTIONS
Im Folgenden wird die Funktionsweise einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Wie in den
Wahlweise können der Oxidationselektroden-Vorbereitungsschritt S100 und der Reduktionselektroden-Vorbereitungsschritt S120 unabhängig voneinander durchgeführt werden.Alternatively, the oxidation electrode preparation step S100 and the reduction electrode preparation step S120 may be performed independently of each other.
Anschließend werden die Elektrolytmembran 30, auf die die Oxidationselektrode 20 aufgebracht ist, und das Trennpapier 50, auf das die Reduktionselektrode 40 übertragen ist, laminiert und durch das Decal-Verfahren (S140) übertragen. Das Decal-Verfahren des Übertragungsschritts S140 wird im Temperaturbereich von 100 bis 120°C und im Druckbereich von 20 bis 50 kgf/cm2 durchgeführt.Subsequently, the
Anschließend wird das Trennpapier 50 abgetrennt (S160), so dass die Membran-Elektroden-Anordnung 10 fertiggestellt wird (S180).The
Die detaillierte Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, wie sie oben beschrieben sind, soll Fachleuten die Implementierung und Ausführung der vorliegenden Offenbarung ermöglichen. Obwohl die vorliegende Offenbarung oben unter Bezugnahme auf die beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht sich für den Fachmann, dass die vorliegende Offenbarung in verschiedener Weise modifiziert und verändert werden kann, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Beispielsweise kann der Fachmann die in den oben genannten Ausführungsformen offenbarten Komponenten als Kombination der Komponenten verwenden. Die vorliegende Offenbarung ist somit nicht auf die hier offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern soll den größtmöglichen Anwendungsbereich bieten, der mit den Prinzipien und neuen Merkmalen vereinbar ist, die hier offenbart sind.The detailed description of the exemplary embodiments of the present disclosure as described above is intended to enable those skilled in the art to implement and practice the present disclosure. Although the present disclosure has been described above with reference to the exemplary embodiments, it will be understood by those skilled in the art that the present disclosure can be modified and changed in various ways without departing from the scope of the present disclosure. For example, those skilled in the art may use the components disclosed in the above embodiments as a combination of the components. The present disclosure is therefore not limited to the embodiments disclosed herein, but is intended to provide the widest possible scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.
Die vorliegende Offenbarung kann auch in anderen spezifischen Formen angegeben werden, ohne den Gedanken und die wesentlichen Merkmale der vorliegenden Offenbarungzu verlassen. Die ausführliche Beschreibung ist daher in jedem Sinn als illustrativ und nicht als einschränkend zu verstehen. Der Umfang der vorliegenden Offenbarung ist auf der Grundlage einer sinnvollen Auslegung der beigefügten Ansprüche zu bestimmen, und alle Änderungen innerhalb des äquivalenten Umfangs der vorliegenden Offenbarung gehören zum Umfang der vorliegenden Offenbarung. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die hier offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern soll den größtmöglichen Anwendungsbereich bieten, der mit den Prinzipien und neuen Merkmalen vereinbar ist, die hier offenbart sind. Darüber hinaus können die Ausführungsformen konfiguriert oder neue Ansprüche hinzugefügt werden, nachdem die Anmeldung eingereicht wurde, indem Ansprüche kombiniert werden, zwischen denen keine ausdrücklich angegebene Beziehung besteht.The present disclosure may be presented in other specific forms without departing from the spirit and essential features of the present disclosure. The detailed description is therefore to be understood in all senses as illustrative and not restrictive. The scope of the present disclosure should be determined based on a reasonable interpretation of the appended claims, and all changes within the equivalent scope of the present disclosure are within the scope of the present disclosure. The present disclosure is not limited to the embodiments disclosed herein, but is intended to provide the widest possible scope consistent with the principles and novel features disclosed herein. Additionally, the embodiments may be configured or new claims added after the application is filed by combining claims that do not have an expressly stated relationship.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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