DE10315796A1 - Mit Katalysator beschichtete Ionomermembrane und Membran-Elektroden-Einheiten mit Komponenten, die verschiedene Farben aufweisen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektrochemischen Zellen und Brennstoffzellen, genauer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen ("PEMFC") und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen ("DMFC"). Sie beschreibt mit Katalysator beschichtete Ionomermembranen ("CCMs") und Membran-Elektroden-Einheiten ("MEAs"), die zwei Komponenten, die verschiedene Farben aufweisen. Die Komponenten, die verschiedene Farben aufweisen, können Gasverteilerschichten, Schutzfolienschichten, Versiegelungsschichten oder Dichtungsschichten sein. Die Komponenten, die verschiedene Farben aufweisen, tragen zur Unterscheidung der beiden reaktiven Seiten (d. h. der Anodenseite und der Kathodenseite) der MEA bei und erleichtern somit die Handhabungseigenschaften, insbesondere in automatischen Fertigungsstraßen für Stapel. Die CCMs und MEAs, die diese Komponenten mit verschiedenen Farben enthalten, können zur Herstellung von Niedrigtemperatur-Brennstoffzellenstapeln verwendet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft das Gebiet von elektrochemischen Zellen und Brennstoffzellen, genauer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen ("PEMFC") und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen ("DMFC"). Sie beschreibt mit Katalysator beschichtete Ionomermembranen ("CCMs") und Membran-Elektroden-Einheiten ("MEAs"), die eine oder mehr farbige Komponenten umfassen. Die Komponenten mit verschiedenen Farben können Polymer-Schutzfilmschichten, Versiegelungsschichten, Dichtungen oder Gasverteilerschichten und dergleichen sein. Die Komponenten mit verschiedenen Farben tragen zur Unterscheidung der beiden reaktiven Seiten (d.h. der Anodenseite und der Kathodenseite) der MEA bei und erleichtern somit die Handhabungseigenschaften, insbesondere in automatischen Fertigungsstraßen für Brennstoffzellenstapel. Die mit Katalysator beschichteten Membranen und Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) werden als Komponenten in Niedrigtemperatur-Brennstoffzellenstapeln verwendet.
  • Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel an zwei räumlich getrennten Elektroden in Elektrizität, Wärme und Wasser um. Die Technologie von Brennstoffzellen wird umfassend in der Literatur beschrieben, siehe zum Beispiel K. Kordesch und G. Simader, "Fuel Cells and Its Applications", VCH Verlag Chemie, Weinheim (Deutschland) 1996.
  • Eine mit Katalysator beschichtete Membran (im Folgenden als "CCM" abgekürzt) besteht aus einer Polymer-Elektrolyt-Membran, die auf beiden Seiten mit einer katalytisch aktiven Schicht versehen ist. Im Allgemeinen unterscheiden sich die Schichten voneinander: Eine der Schichten nimmt die Form einer Anode für die Oxidation von Wasserstoff an und die zweite Schicht nimmt die Form einer Kathode zur Reduktion von Sauerstoff an. Da die CCM aus drei Schichten besteht (Anodenkatalysatorschicht, Ionomermembran und Kathodenkatalysatorschicht), wird sie oft als "dreischichtige MEA" bezeichnet. Wie in dieser Erfindung ausgeführt, kann die CCM (eine) Filmschicht(en) zur besseren Handhabung, zum Schutz und zum Versiegeln des Produkts enthalten.
  • Gasverteilerschichten ("GDLs"), die manchmal als Gasverteilersubstrate oder -träger bezeichnet werden, werden auf die Anoden- und Kathodenschichten der CCM aufgebracht, um die gasförmigen Reaktionsmedien (Wasserstoff und Luft) zu den katalytisch aktiven Schichten zu bringen und dabei einen elektrischen Kontakt herzustellen. GDLs bestehen normalerweise aus Substraten auf Kohlenstoffbasis, wie zum Beispiel Kohlefaserpapier oder gewebte Kohlenstoffstoffe, die hochgradig porös sind und den Reaktionsgasen einen guten Zugang zu den Elektroden ermöglichen. Des Weiteren sind sie hydrophob, um das Produktwasser aus der Brennstoffzelle zu entfernen. GDLs können mit einer Mikroschicht beschichtet werden, um den Kontakt zur Membran zu verbessern.
  • Eine Membran-Elektroden-Einheit ("fünfschichtige MEA") ist die zentrale Komponente in einer Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzelle und besteht aus fünf Schichten: Die Anoden-GDL, die Anodenkatalysatorschicht, die Ionomermembran, die Kathodenkatalysatorschicht und die Kathoden-GDL. Eine MEA kann hergestellt werden, indem eine CCM mit zwei GDLs kombiniert wird (auf der Anoden- und der Kathodenseite) oder indem, in einer anderen Ausführungsform, eine Ionomermembran mit zwei mit Katalysator beschichteten Träger (CCBs) an der Anoden- und der Kathodenseite kombiniert wird. In beiden Fällen wird ein fünfschichtiges MEA-Produkt erhalten. Wenn die CCM (eine) Schutzfilmschicht(en) enthält, die in der laminierten Einheit integriert ist (sind), enthält die fünfschichtige MEA wiederum auch diese Schutzfilmschicht(en).
  • Die Anoden- und Kathoden-Elektrodenschichten umfassen im Allgemeinen verschiedene Elektrokatalysatoren, die die jeweilige Reaktion katalysieren (Oxidation von Wasserstoff an der Anode und Reduktion von Sauerstoff an der Kathode). Die Metalle der Platingruppe des Periodensystems werden vorzugsweise als die katalytisch aktiven Komponenten verwendet. Größtenteils werden geträgerte Katalysatoren verwendet, in denen die katalytisch aktiven Metalle der Platingruppe in Teilchenform in Nanogröße an der Oberfläche eines leitenden Trägermaterials befestigt wurden. Die durchschnittliche Teilchengröße des Metalls der Platingruppe liegt zwischen etwa 1 und 10 nm. Ruß mit Teilchengrößen von 10 bis 100 nm und einer hohen elektrischen Leitfähigkeit haben sich als geeignet als Trägermaterialien erwiesen.
  • Die Polymer-Elektrolyt-Membran besteht aus protonenleitenden Polymermaterialien. Diese Materialien werden unten auch als Ionomermembranen bezeichnet. Vorzugsweise wird Tetrafluorethylenfluorvinylethercopolymer mit Sulfonsäuregruppen verwendet. Dieses Material wird zum Beispiel von E. I. DuPont unter der Handelsbezeichnung Nafion® vermarktet. Es können jedoch auch andere, insbesondere fluorfreie, Ionomermaterialien verwendet werden, wie zum Beispiel sulfonierte Polyetherketone oder Arylketone oder säuredotierte Polybenzimidazole. Geeignete Ionomermaterialien werden von O. Savadogo im "Journal of New Materials for Electrochemical Systems" I, 47–66 (1998) beschrieben. Zur Anwendung in Brennstoffzellen haben diese Membranen im Allgemeinen eine Dicke zwischen 10 und 200 μm.
  • Bei der Konstruktion eines PEMFC-Stapels werden mehrere Membran-Elektroden-Einheiten und bipolare Platten in Reihe gestapelt, um den gewünschten Spannungsausgang zu erhalten. Im Allgemeinen werden diese Komponenten (in erster Linie CCMs, MEAs und bipolare Platten) gegen ein Lecken gegenüber der Umwelt und gegen ein Vermischen der Reaktanden (Wasserstoff und Sauerstoff/Luft) mit gasdichten Versiegelungen versiegelt. Die Technologie zur Herstellung von Brennstoffzellkomponenten und -versiegelungen ist in der Literatur gut beschrieben.
  • In US 6,500,217 B1 ist ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von mit Katalysator beschichteten Membranen durch Ausbringen von Elektrodenschichten auf einen Polymer-Elektrolyt-Membranstreifen offenbart.
  • Die US 2002/0064593 A1 lehrt ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von 5-schichtigen MEAs für Brennstoffzellen.
  • In US 3,134,697 wird eine Versiegelungsfunktion herkömmlicherweise unter Verwendung von vorgeschnittenen Rahmen aus Polymermaterial und durch Anordnen dieser Rahmen um die Elektroden der Brennstoffzelle zwischen der Membran und den bipolaren Platten der Zelle erreicht.
  • Die EP 690 519 geht die Stabilisierung der Membran im inaktiven Versiegelungsbereich an. Sie betrifft eine Einheit, bestehend aus mindestens einer Versiegelungsschicht in einer festen Polymer-Ionenaustauschschicht, wobei die Versiegelungsschichten im Wesentlichen nur den Bereich der Ionenaustauschschicht bedecken, die zu versiegeln ist. Die Versiegelungsschicht ist aus einem Polytetrafluorethylen(PTFE)-Folie gefertigt, wobei eine Oberfläche mit dem Ionomermaterial beschichtet und teilweise imprägniert ist.
  • WO 00/10216 beschreibt eine Einheit aus Membran-Elektrode-Dichtung mit einer Dichtung und einer Unterdichtung, um die MEA zu versiegeln und sie vor einem möglichen Versagen des Randes zu schützen. Das Dichtungsmaterial besteht typischerweise aus expandiertem Polytetrafluorethylen (e-PTFE), das zur besseren Haftung mit einer Lösung aus Ionomer getränkt wurde.
  • EP 1 184 925 A2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von PEMFC-Stapeln durch Anordnen von MEAs und bipolaren Platten, gekennzeichnet durch ein charakteristisches Kompressionsverfahren.
  • Im Allgemeinen müssen in dem Verfahren zur Zusammenstellung von PEM-Stapeln die MEAs in einer bestimmten, gut definierten Reihenfolge mit den bipolaren Platten angeordnet werden, um den Stapel zu bilden. Je nach der erforderlichen Leistungsabgabe wird eine bestimmte Anzahl an MEAs (manchmal bis zu 100 MEAs für einen 50-kW-Stapel) aufeinander gestapelt. In diesem Verfahren wird die Anodenseite der MEA (d.h. die Seite, wo das Wasserstoff enthaltende Zufuhrgas in den Stapel eintritt) stets von der Kathodenseite (d.h. der Luftzufuhrseite) getrennt. Bei der Zusammenstellung des Stapels werden die MEAs folgendermaßen in "Reihe" elektrisch verbunden: Anode – Membran – Kathode // bipolare Platte // Anode – Membran – Kathode // bipolare Platte // usw.
  • Ein versehentliches Verwechseln der Anoden- und Kathodenseite der MEA / CCM bei der Zusammenstellung des Stapels könnte zu einem ernsthaften Versagen im gesamten PEM-Stapel führen. Die Anodenseite der MEA, die normalerweise CO-tolerante PtRu-Elektrokatalysatoren enthält, wäre der Luft ausgesetzt (d.h. würde oxidieren) und die Kathodenseite würde mit Wasserstoff in Berührung kommen. Als Ergebnis einer solchen Art von Fehler bei der Zusammenstellung wären die Leistung und Zuverlässigkeit des Stapels stark beeinträchtigt. Der Stapel muss auseinander genommen und neu aufgebaut werden, wobei die MEA richtig in Reihe angeordnet werden. Somit muss diese Art von Fehler völlig vermieden werden.
  • Wenn der PEM-Stapel manuell zusammengestellt wird, muss besonders darauf geachtet werden, vor der Zusammenstellung des Stapels die richtige Seite (d. h. die Anodenseite oder die Kathodenseite) der MEA / CCM zu erkennen. Dies kann ein sehr zeitaufwändiges Verfahren sein, das zu langen Zusammenstellungszeiten und somit zu höheren Arbeitskosten im Zusammenhang mit diesem Verfahren führen.
    •
  • Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, MEAs und CCMs zur Verfügung zu stellen, die eine bessere, sicherere und schnellere Handhabung bei der Zusammenstellung von PEMFC-Stapeln ermöglichen. Eine bessere Handhabung und eine schnellere Verarbeitung ist bei der kontinuierlichen Herstellung von CCMs und MEAs in großem Maßstab höchst wichtig, da sie für die künftige weitverbreitete Vermarktung von Brennstoffzellen notwendig sind.
  • Dieses Problem wurde durch Bereitstellen von CCMs und MEAs gelöst, die Komponenten mit verschiedenen Farben enthalten. Um die Anodenseite der MEA besser von der Kathodenseite zu unterscheiden, kann zum Beispiel die Anodenseite identifiziert werden, indem z. B. eine Polymerfilmschicht mit schwarzer Farbe als Schutzfilmschicht verwendet wird, und die Kathodenseite kann identifiziert werden, indem z. B. ein weißer Polymerfilm verwendet wird.
  • Der Begriff "mit verschiedenen Farben" in der vorliegenden Erfindung bedeutet jeden Unterschied der Eigenschaften, z. B. der Oberfläche und/oder Erscheinung, der Komponente, der verwendet werden kann, um die beiden Seiten des Produkts optisch zu unterscheiden.
  • Geeignete Eigenschaften können die Farbe (schwarz, rot, weiß, transparent usw.), Rauhigkeit (z. B. glatt, rau oder texturiert), Transparenz (z. B. opak, stark oder gering) oder allgemeiner die Erscheinung (z. B. glänzend, strahlend, hell, dunkel) sein. Vorzugsweise ist die unterscheidende Eigenschaft ein Unterschied in der Farbe. Obwohl in dieser gesamten Anmeldung auf die Farbeigenschaften Bezug genommen wird, ist selbstverständlich, dass auch jede der obigen Eigenschaften verwendet werden kann.
  • Der Unterschied in den oben erwähnten Eigenschaften der beiden Komponenten sollte ausreichend sein, um eine Unterscheidung durch automatische Sensoren oder ähnliche Erkennungssysteme zu ermöglichen. Die geltenden CIE-Normen können als Richtlinie für geeignete Farbunterschiede gelten.
  • Zu den am stärksten bevorzugten Farbmodellen zählt das CIELAB-Farbmodell. In diesem System werden Farbunterschiede durch drei Werte dokumentiert (L* = Helligkeit, a* = rot bis grün und b* = blau bis gelb). Die mittlere vertikale Achse ("Grauskalenachse"") stellt Helligkeit (als L* bezeichnet) dar, deren Werte von 0 (schwarz) bis 100 (weiß) reichen. Typischerweise können Unterschiede von ΔL = +/- 5 mit dem bloßen Auge und durch geeignete Farberkennungssensoren erkannt werden. Auf der a* bis -a*-Achse zeigen positive Werte den Rotanteil an, während negative Werte den Grünanteil anzeigen. Auf der b* bis -b* Achse ist gelb positiv und blau negativ. Typischerweise können Unterschiede von Δa* und Δb* von +/- 5 Einheiten durch das bloße Auge und durch geeignete Farbsensorsysteme erkannt werden.
  • Die Farbunterschiede der Komponenten können durch sichtbares Licht (VIS), durch UV-Licht, durch IR oder durch andere geeignete spektroskopische Verfahren erkannt werden. Die geeigneten Pigmente und Farbmittel werden dementsprechend ausgewählt.
  • In vollautomatischen kontinuierlichen Fertigungsstraßen können mit geeigneten Erkennungssystemen ausgerüstete Roboter die Anoden- und Kathodenseite von MEAs und/oder CCMs durch die verschiedenen ihnen zugeordneten Eigenschaften leicht erkennen. Folglich kann das Stapelzusammenstellungsverfahren schneller, sicherer und wirtschaftlicher gestaltet werden. Das gleiche gilt für die manuelle Stapelzusammenstellung, wo der Arbeiter die beiden unterschiedlichen Seiten der MEA mit dem bloßen Auge leicht erkennen und die MEA richtig zusammenstellen kann.
  • Die Komponenten, die der CCM und/oder MEA zugefügt werden, liegen im Allgemeinen in flacher Form, vorzugsweise in Folien- oder Schichtform vor. Die Komponenten können Polymer-Schutzfolienschichten, Versiegelungsschichten, Dichtungen oder Gasverteilerschichten und dergleichen sein.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Komponenten ein Polymerschutzmaterial, zum Beispiel aus vorgeschnittenen Polymerfolien. Diese Folien werden in zwei verschiedenen Farben geliefert und für die beiden verschiedenen Seiten der MEA verwendet.
  • In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die geschichtete Komponente aus verschiedenen Arten von Klebstoffen, zum Beispiel Siliciumklebstoffen, gefertigt sein. Zwei Klebstoffe mit verschiedenen Farben werden als Dichtungsmaterialien verwendet, um die MEA in dem PEM-Stapel zu versiegeln.
  • In noch einer weiteren Ausführungsform können die Komponenten eine GDL (Gasverteilerschicht) sein, die Versiegelungskomponenten mit verschiedenen Farben umfasst.
  • Des Weiteren ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung der verbesserten MEA- und CCM-Produkte, die die Komponenten mit verschiedenen Farben enthalten, zur Verfügung zu stellen.
    •
  • Die vorliegende Erfindung umfasst drei bevorzugte Hauptausführungsformen, die im Folgenden beschrieben werden, um die Erfindung zu veranschaulichen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese bevorzugten Ausführungsformen begrenzt.
  • In Ausführungsform 1 (siehe 1 der vorliegenden Erfindung werden die Komponenten mit verschiedenen Farben aus zwei Arten von pastösen oder flüssigen Klebstoffmaterialien mit verschiedenen Farben (4a, 4b) gefertigt. Wenn sie, zum Beispiel durch Spritzguss oder durch Pastenaufbringung, auf die 5-schichtige MEA aufgebracht werden, die eine CCM mit einer Ionomermembran (1), zwei Katalysatorschichten (2) und zwei Gasverteilerschichten (3) enthält, wirken sie als gasdichte Versiegelung. Die MEA kann in verschiedenen Ausführungen, einschließlich koextensiver oder nicht koextensiver Ausführungen, hergestellt werden.
  • In Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung werden gasdichte Versiegelungsmaterialien, zum Beispiel vorgeschnittene Versiegelungsfolien, in zwei verschiedenen Farben auf jede Seite der MEA aufgebracht, wie in 2 gezeigt. Sie zeigt eine schematische Zeichnung (Querschnitt) einer mit Katalysator beschichteten Membran (CCM) nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Ionomermembran (1) ist auf beiden Seiten mit Elektrodenschichten (2) beschichtet, die den aktiven Bereich der mit Katalysator beschichteten Membran bilden. Zwei Rahmen von Schutzfolienschichten (3) mit verschiedenen Farben (3a: Farbe 1; 3b: Farbe 2) werden auf beiden Seiten auf den passiven Bereich der Membran (1) aufgebracht. Die Schutzfolie kann aus einem Polymer gefertigt sein, die steifer ist als die Ionomermembran. Die Dicke der Schutzfolie liegt im Bereich von 10 μm bis 150 μm (vorzugsweise im Bereich von 80 bis 120 μm) und kann einen Schutz für die Ionomermembran gegen Druck, Stoß, Verschleiß, Wärme, Austrocknen usw, darstellen. Die Schutzfolienschicht ist fest auf der Membran befestigt und kann die Elektrodenschicht überlappen. Sie kann vorgeformt und durch Wärmelaminierung oder durch einen Klebstoff mit der Membran befestigt werden.
  • In Ausführungsform 3 (siehe 3 enthalten die Gasverteilerschichten Versiegelungsmaterialien mit verschiedenen Farben. Es ist möglich, ein Versiegelungsmaterial in Form einer farbigen Flüssigkeit aufzubringen, die farbige Flüssigkeit in die GDL zu pressen und die Flüssigkeit zu härten, was einen festen Schutzfilm schafft, der in die GDL dringt. Durch Tränken der GDLs mit einer flüssigen Dichtungsmasse mit verschiedenen Farben können GDLs mit verschieden farbigen Seiten hergestellt werden. In einer anderen Ausführungsform können die vorgeschnittenen Versiegelungsfolien in zwei verschiedenen Farben auf jede Seite der 5-schichtigen MEA aufgebracht werden (d.h. oben auf die Anoden-GDLs und oben auf die Kathoden-GDL von der umgekehrten Seite). Anschließend kann diese Einheit durch ein Laminierverfahren unter Einsatz von Wärme und Druck behandelt werden. Nach der Laminierung erscheint die GDL auf beiden Seiten mit dem Schutzfolienmaterial mit verschiedenen Farben in den Versiegelungsbereichen der MEA imprägniert zu sein. Somit können die verschiedenen Seiten der MEA leicht durch ihre Farbe unterschieden werden.
  • Gemäß dieser Erfindung können nützliche Versiegelungs- und Schutzpolymermaterialien in Film-, Folien- oder Bogenform vorliegen. In einer anderen Ausführungsform könnten sie in pastöser oder flüssiger Form zur Aufbringung durch Drucken, Bürsten oder Prägen verfügbar sein. Im Allgemeinen sollten alle Materialien stabil und widerstandsfähig gegenüber den Betriebsbedingungen von Membranbrennstoffzellen, d. h. PEM- und DMFC-Typen, sein. Des Weiteren sollten die Materialien eine hohe Haltbarkeit und Lebensdauer sowie eine hohe Reinheit in Bezug auf spurenförmige Verunreinigungen, verbleibende flüchtige Komponenten und andere anorganische oder organische Materialien aufweisen, die während des Betriebs der Brennstoffzelle austreten könnten.
  • Bevorzugte Materialien für Polymerfolienschichten sind organische thermoplastische oder duroplastische Polymere, wie zum Beispiel Polytetrafluorethylen, PVDF, Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Polyamid, Co-Polyamid, Polyamidelastomere, Polyimid, Polyurethan, Polyurethanelastomere, Silikone, Siliciumkautschuke, Elastomere auf Siliciumbasis und dergleichen. Zum Beispiel sind geeignete Polyurethanfolien auf dem Markt erhältlich und können in verschiedenen Farben, die vom Verkäufer spezifiziert werden, erhalten werden.
  • Geeignete Farbmittel sollten säurebeständig und im Wesentlichen wasserunlöslich sein. Des Weiteren sollten sie stabil in Bezug auf die Betriebsbedingungen einer Brennstoffzelle insbesondere in Bezug auf die Haltbarkeit und Alterungsbeständigkeit sein. Beispiele für geeignete Farbmittel sind säurebeständige inerte organische oder anorganische Farbmittel und Pigmente, wie sie auf dem Markt im Handel erhältlich sind.
  • Geeignete Farbmittel oder Pigmente können in sichtbarem Licht, UV-Licht, IR-Licht oder in jedem anderen Bereich des Spektrums aktiv sein.
  • Bezüglich der anderen Eigenschaften, die verwendet werden können, um die Komponenten zu unterscheiden, können die Materialien der Komponenten entsprechend ausgewählt und verarbeitet werden. Zum Beispiel können, um einen Unterschied der Oberflächenrauhigkeit zu erreichen, Gießen, Prägen oder jede andere geeignete Technik verwendet werden. Ein Unterschied der Transparenz kann durch Zugabe zum Beispiel von teilchenförmigem Material erreicht werden. Schließlich kann ein Unterschied der Erscheinung je nach der Zusammensetzung der Komponente durch geeignete Verfahren erreicht werden.
  • Alle Arten von handelsüblichen GDLs sowie andere geeignete Materialien können zur Bildung von Komponenten mit verschiedenen Farben zur Verwendung in dieser Erfindung verwendet werden. Als Grundstoffe für GDLs können gewebter Kohlenstoffstoffe, nicht gewebte Kohlefaserschichten oder Kohlefaserpapiere verwendet werden. Typische GDL-Grundstoffe sind Toray TGP-H-060 oder Textron AvCarb 1071 HCB, geliefert von Textron Inc. Die Gasverteilerschichten können hydrophob behandelt sein. Sie können falls nötig zusätzliche Ruß-Mikroschichten und Katalysatorschichten umfassen.
  • Die Bindung der Komponenten mit verschiedenen Farben (d.h. GDLs, Schutzschichten, Versiegelungsfolien usw.) an die CCM kann durch Anwendung von Druck und Wärme (zum Beispiel in einem Laminierverfahren) erfolgen. Geeignete Bindungs- oder Laminierbedingungen sollten an die mechanische Stabilität des Grundstoffs der Komponenten angepasst sein. Es ist auch möglich, die Komponenten durch Anwendung von Klebstoffen oder Leim und dergleichen zu binden.
  • Die folgenden Beispiele beschreiben die Erfindung genauer. Diese Beispiele werden vorgestellt, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu unterstützen und sollen die Erfindung nicht in irgendeiner Weise beschränken oder dahingehend ausgelegt werden.
  • BEISPIELE
  • Beispiel 1:
  • Die mit Katalysator beschichtete Membran, die in diesem Beispiel verwendet wurde, wurde gemäß US-Patent Nr. 6,309,772 hergestellt. Ein 40 Gew.% Pt/Vulcan XC72-Katalysator wurde als ein Kathodenkatalysator verwendet, und für die Anodenseite wurde ein 40 Gew.% PtRu (1:1)Nulcan XC72 verwendet. Das CCM-Produkt ist von OMG AG & Co. KG unter der Bezeichnung "CCM-Typ 7C" erhältlich und wurde mit einem aktiven Bereich von 100 cm2 (10 × 10 cm) verwendet. Der passive Bereich (der nicht beschichtete Bereich) der CCM hatte eine Größe von 1,0 cm Breite, was CCM-Abmessungen von insgesamt 12 × 12 cm ergab, wobei der aktive Bereich in der Mitte zentriert war.
  • Folienmaterialien auf Polyurethanbasis (weiße PU-Folie und schwarze PU-Folie) mit einer Dicke von 50 μm wurden als eine Schutzfolienschicht verwendet.
  • Die mit Katalysator beschichtete Membran wurde zwischen einen Rahmen aus schwarzem Schutzfolienmaterial auf der Kathodenseite und einem Rahmen aus weißem Schutzfolienmaterial auf der Anodenseite platziert, und die Einheit wurde mit zwei Lagen von PTFE-Zuschnitten bedeckt. Die Schutzfolienrahmen wurden in Bezug auf die mit Katalysator beschichtete Membran derart positioniert, dass der Umfangsrand der Membran völlig bedeckt war, und ein 2 mm breiter Bereich des aktiven Bereichs überlappte den Innenrand des Rahmens der Schutzfolie auf beiden Seiten der CCM. Es wurde eine Laminierung des Pakets bei 27 bar und einer Temperatur von 145°C 2 Minuten lang durchgeführt.
  • Eine mit Katalysator beschichtete Membran (CCM) mit einer weißen Schutzschicht auf der Anodenseite und einer schwarzen Schutzschicht auf der Kathodenseite wurde erhalten. Die CCM und zwei Gasverteilerschichten (GDLs), eine auf der Anoden- und eine auf der Kathodenseite, wurden zu einer PEM-Einzelzelle zusammengesetzt und in einem Wasserstoff/Luft-Betrieb bei einem Betriebsdruck von 2,7 bar bei einer Zellentemperatur von 70°C getestet. Die elektrische Leistung lag im Bereich von 650 mV bei einer Stromdichte von 600 mA/cm2.
  • Aufgrund der Farbunterschiede der beiden Seiten erfolgte die Zusammenstellung der MEA schnell und leicht.
  • Beispiel 2:
  • Die in diesem Beispiel verwendete mit Katalysator beschichtete Membran (CCM) war identisch zu derjenigen, die in Beispiel 1 verwendet wurde, an Stelle der Schutzfolienschichten mit verschiedenen Farben wurden jedoch verschieden farbige Dichtungsschichten (d. h. Versiegelungsschichten) auf die CCM aufgebracht. Elastomere Materialien (Siliciumelastomer VMQ 0,4 mm dick, mit roter Farbe und mir schwarzer Farbe) wurden als Versiegelungsschichten für die PEM-Brennstoffzelle verwendet. Das Elastomer wurde zu rechteckigen Rahmen mit einer Breite von 2 mm mit einer Öffnung von einer Größe von 74 mm mal 74 mm geschnitten. Ein Rahmen von elastomerem Material mit roter Farbe und ein Rahmen von elastomerem Material mit schwarzer Farbe wurden bereitgestellt. Beide Rahmen wurden mit einer Bürste auf einer Oberfläche mit flüssigem Klebstoff beschichtet. Die mit Katalysator beschichtete Membran wurde dann zwischen den Rahmen platziert, wobei die beschichtete Rahmenfläche zur Membran zeigte. Der rote Versiegelungsrahmen wurde auf die Kathodenseite platziert und der schwarze Versiegelungsrahmen wurde auf die Anodenseite der CCM platziert, und die Einheit wurde mit zwei Lagen von PTFE-Zuschnitten bedeckt. Die Versiegelungsrahmen wurden auf den Umfangsrand der Membran der mit Katalysator beschichteten Membran derart positioniert, dass sie eng den mit aktivem Katalysator beschichteten Bereich auf beiden Seiten der CCM umschlossen. Es wurde eine Laminierung des Pakets bei 10 bar bei Raumtemperatur 2 Minuten lang durchgeführt.
  • Die mit Katalysator beschichtete Membran mit angebrachten Versiegelungsrahmen und zwei GDLs wurde wieder zu einer PEM-Einzelzelle zusammengesetzt und in einem Wasserstoff/Luft-Betrieb bei 1,0 bar/70°C für einen verlängerten Zeitraum von 300 Stunden getestet. Es wurde eine ausgezeichnete Langzeitleistung erhalten. Eine mikroskopische Untersuchung der mit Katalysator beschichteten Membran zeigte keine Anzeichen von Beschädigung, weder in den Versiegelungsrahmen noch an der Grenzfläche zwischen dem Versiegelungsrahmen und dem aktiven Bereich der CCM.
  • Beispiel 3:
  • Eine mit Katalysator beschichtete Membran (CCM, Typ 7C, OMG AG & Co. KG, Hanau) wurde in eine 5-schichtige MEA durch Anbringen von zwei GDL-Grundstoffen (Toray TGP-H-060) auf beide Seiten der CCM überführt. Die Gasverteilerschichten wurden hydrophob behandelt und umfassten eine zusätzliche Ruß-Mikroschicht. Zwei Rahmen von Folienmaterialien auf Polyurethanbasis (PU-Typ weiß und PU-Typ schwarz) mit einer Dicke von 150 μm wurden auf beide GDLs aufgebracht. Diese siebenschichtige Sandwich-Einheit wurde bei 200°C bei einem Druck von 30 bar 2 Minuten lang laminiert. Nach diesem Verfahren wurde eine zweifarbige 5-schichtige MEA erhalten. Aufgrund der verschiedenen Farben der Folienmaterialien konnten die Anoden- und die Kathodenseite der MEA leicht unterschieden werden.
  • Beispiel 4:
  • Eine mit Katalysator beschichtete Membran (CCM, Typ 7C, OMG AG & Co. KG, Hanau) wurde durch Anbringen von zwei GDL-Grundstoffen (Toray TGP-H-060) auf beide Seiten der CCM in eine 5-schichtige MEA überführt. Die Gasverteilerschichten wurden hydrophob behandelt und umfassten eine zusätzliche Ruß-Mikroschicht. Die 5-schichtige MEA wurde in eine geeignete Form überführt und ein zweifarbiger Versiegelungsrand wurde mittels Spritzguss um den Außenrand der MEA aufgebracht.
  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektrochemischen Zellen und Brennstoffzellen, genauer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen ("PEMFC") und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen ("DMFC"). Sie beschreibt mit Katalysator beschichtete Ionomermembranen ("CCMs") und Membran-Elektroden-Einheiten ("MEAs"), die zwei Komponenten, die verschiedene Farben aufweisen. Die Komponenten, die verschiedene Farben aufweisen, können Gasverteilerschichten, Schutzfolienschichten, Versiegelungsschichten oder Dichtungsschichten sein. Die Komponenten, die verschiedene Farben aufweisen, tragen zur Unterscheidung der beiden reaktiven Seiten (d.h. der Anodenseite und der Kathodenseite) der MEA bei und erleichtern somit die Handhabungseigenschaften, insbesondere in automatischen Fertigungsstraßen für Stapel. Die CCMs und MEAs, die diese Komponenten mit verschiedenen Farben enthalten, können zur Herstellung von Niedrigtemperatur-Brennstoffzellenstapeln verwendet werden.
  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektrochemischen Zellen und Brennstoffzellen, genauer Poplymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen ("PEMFC") und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen ("DMFC"). Sie beschreibt mit Katalysator beschichtete Ionomemembramen ("CCMs") und Membran-Elektroden-Einheiten ("MEAs"), die zwei Komponenten, die verschiedene Farben aufweisen. Die Komponenten, die verschiedene Farben aufweisen, können Gasverteilerschichten, Schutzfolienschichten, Versiegelungsschichten oder Dichtungsschichten sein. Die Komponenten, die verschieden Farben aufweisen, tragen zur Unterscheidung der beiden reaktiven Seiten (d.h. der Anodenseite und der Kathodenseite) der MEA bei und erleichtern somit die Handhabungseigenschaften, insbesondere in automatischen Fertigungsstraßen für Stapel. Die CCMs und MEAs, die diese Komponenten mit verschiedenen Farben enthalten, können zur Herstellung von Niedrigtemperatur-Brennstoffzellenstapeln verwendet werden.

Claims (12)

  1. Mit Katalysator beschichtete Membran zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle, umfassend eine Ionomermembran, die mit Katalysatorschichten auf beiden Seiten der Membranoberfläche beschichtet ist, und zwei Komponenten, eine, die auf der Stirnfläche der mit Katalysator beschichteten Membran befestigt ist und eine, die auf der Rückfläche der mit Katalysator beschichteten Membran befestigt ist, wobei die beiden Komponenten verschiedene Farben aufweisen.
  2. Mit Katalysator beschichtete Membran gemäß Anspruch 1, wobei eine der verschiedene Farben aufweisenden Komponenten ein oder mehrere säurebeständige, wasserunlösliche Farbmittel enthält.
  3. Mit Katalysator beschichtete Ionomermembran gemäß Anspruch 1, wobei die verschiedene Farben aufweisenden Komponenten Gasverteilerschichten, Schutzfilmschichten, Versiegelungsschichten und/oder Dichtungsschichten sind.
  4. Mit Katalysator beschichtete Membran gemäß Anspruch 1, wobei die verschiedene Farben aufweisenden Komponenten Schutzfolienschichten, Versiegelungsschichten und/oder Dichtungsschichten sind, welche Polytetrafluorethylen, PVDF, Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Polyamid, Copolyamid, Polyamidelastomere, Polyimid, Polyurethane, Polyurethanelastomere, Silikone, Siliciumkautschuke oder Elastomere auf Siliciumbasis umfassen.
  5. Mit Katalysator beschichtete Membran gemäß Anspruch 1, wobei die verschiedene Farben aufweisenden Komponenten Gasverteilerschichten sind, welche Kohlefaserpapiere, gewebte Kohlenstoffstoffe, nicht gewebte Kohlenstoffgewebe oder Kohlefaservliese umfassen.
  6. Membran-Elektroden-Einheit zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle, umfassend eine Ionomermembran, die mit Katalysatorschichten auf beiden Seiten der Membranoberfläche beschichtet ist, zwei Gasverteilerschichten, die die Katalysatorschichten der mit Katalysator beschichteten Membran bedecken, und zwei Komponenten, eine, die auf der Stirnfläche der mit Katalysator beschichteten Membran befestigt ist, und eine, die auf der Rückfläche der mit Katalysator beschichteten Membran befestigt ist, wobei die zwei Komponenten verschiedene Farben aufweisen.
  7. Verfahren zur Herstellung einer mit Katalysator beschichteten Membran gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die verschiedene Farben aufweisenden Komponenten mit der mit Katalysator beschichteten Membran durch ein Druck und Wärme verwendendes Verfahren zusammengefügt werden.
  8. Verfahren zur Herstellung einer mit Katalysator beschichteten Membran gemäß Anspruch 7, wobei das Verfahren ein Laminierverfahren ist, welches Druck im Bereich von 10 bis 100 bar und Temperaturen im Bereich von 20 bis 300°C verwendet.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit gemäß Anspruch 7, wobei die mit Katalysator beschichtete Membran, die Gasverteilerschichten und die verschiedene Farben aufweisenden Komponenten durch ein Druck und Wärme verwendendes Verfahren zusammengefügt werden.
  10. Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit gemäß Anspruch 9, wobei das Verfahren ein Laminierverfahren ist, welches Druck im Bereich von 10 bis 100 bar und Temperaturen im Bereich von 20 bis 300°C verwendet.
  11. Verwendung einer mit Katalysator beschichteten Membran gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung eines PEM- oder DMFC-Brennstoffzellenstapels.
  12. Verwendung einer Membran-Elektroden-Einheit gemäß Anspruch 6 zur Herstellung eines PEM- oder DMFC-Brennstoffzellenstapels.
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