DE10333289A1

DE10333289A1 - Vorrichtung zur Formung einer katalytischen Beschichtng auf einem Substrat

Info

Publication number: DE10333289A1
Application number: DE10333289A
Authority: DE
Inventors: Thomas A. Trabold; Michael R. Schoeneweiss; Michael Scozzafava
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2003-07-22
Publication date: 2004-09-02
Also published as: JP3825019B2; CN1508896A; JP2004134381A

Abstract

Die vorliegende Erfindung ist auf verschiedene Verfahren zur Formung einer katalytischen Beschichtung auf einem Substrat gerichtet. Das Verfahren umfasst, dass ein katalytisches Fluid vorbereitet wird und das katalytische Fluid durch Verwendung eines Direktschreiberinstruments auf ein Substrat abgegeben wird.

Description

Diese Anmeldung ist eine Continuation-in-Part-Anmeldung der US-Patentanmeldung Seriennummer 10/201,828, die am 24. Juli 2002 eingereicht wurde.
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellen und insbesondere Verfahren zur Formung einer katalytischen Beschichtung auf einem Substrat.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind Verfahren zur Formung einer katalytischen Beschichtung auf einem Substrat vorgesehen.
Bei einer Ausführungsform ist ein Verfahren zur Formung einer katalytischen Beschichtung auf einem Substrat vorgesehen. Gemäß des Verfahrens wird ein katalytisches Fluid vorbereitet und auf ein Substrat unter Verwendung eines Direktschreibinstrumentes abgegeben, das derart programmiert worden ist, um das katalytische Fluid auf das Substrat in einem Muster abzugeben, das auf der ersten Seite des Substrats eine katalytische Beschichtung bildet.
Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zur Formung einer katalytischen Beschichtung auf einem Substrat vorgesehen. Gemäß des Verfahrens wird ein katalytisches Fluid auf ein Substrat unter Verwendung eines Direktschreibinstruments abgegeben, das derart programmiert worden ist, so dass das katalytische Fluid auf das Substrat in einem Muster abzugeben, das eine erste Beschichtung auf einer ersten Seite des Substrats bildet. Ein nichtkatalytisches Fluid wird ebenfalls auf die erste Seite des Substrats unter Verwendung desselben Direktschreibinstruments in einem Schattenmuster der ersten Beschichtung abgegeben, um eine zweite Beschichtung auf der ersten Seite des Substrats zu bilden.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zur Vorbereitung einer Elektrolytmembran zur Verwendung in einer Membranelektrodenanordnung vorgesehen. Gemäß des Verfahrens wird ein katalytisches Fluid auf ein Zwischenmaterial unter Verwendung eines Direktschreibinstruments abgegeben, das derart programmiert worden ist, um das katalytische Fluid in einem Muster abzugeben, das eine katalytische Beschichtung auf dem Zwischenmaterial bildet. Die katalytische Beschichtung wird anschließend von dem Zwischenmaterial an eine Elektrolytmembran übertragen.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zur Vorbereitung einer Elektrolytmembran zur Verwendung in einer Membranelektrodenanordnung vorgesehen. Gemäß des Verfahrens wird ein katalytisches Fluid auf ein Elektrolytmaterial unter Verwendung eines Direktschreibinstruments abgegeben.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zur Vorbereitung eines Diffusionsmediums zur Verwendung in einer Brennstoffzelle vorgesehen. Gemäß des Verfahrens wird ein katalytisches Fluid auf ein Diffusionsmedium unter Verwendung eines Direktschreibinstruments abgegeben.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform ist ein System zur Vorbereitung einer Membranelektrodenanordnung vorgesehen. Das System umfasst erste und zweite Beschichtungsstationen, erste und zweite Trocknungsstationen, eine Schneidestation und eine Fördervorrichtung bzw. Transportvorrichtung. Die erste Beschichtungsstation umfasst eine erste Substrathaltevorrichtung und zumindest einen Beschichtungskopf zum Auftragen einer Beschichtung auf eine erste Seite eines Substrats. Die zweite Beschichtungsstation umfasst eine zweite Substrathaltevorrichtung und zumindest einen Beschichtungskopf zum Auftragen einer Beschichtung auf eine zweite Seite eines Substrats. Die Fördervorrichtung ist derart ausgebildet, um das Substrat von Station zu Station zu tragen bzw. fördern.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen besser verständlich. Es sei angemerkt, dass der Schutzumfang der Ansprüche durch seinen Wortlaut und nicht durch die spezifische Beschreibung von Merkmalen und Vorteilen definiert ist, die in der vorliegenden Beschreibung dargelegt sind.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Anordnungen bzw. Bauteile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, und wobei:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems ist;
2 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem ist;
3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels bzw. -stacks ist, der zwei Brennstoffzellen verwendet;
4 eine Explosionsansicht einer Membranelektrodenanordnung ist;
5 ein Blockdiagramm eines Direktschreibinstruments gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
6 eine Darstellung der Düse und der Düsenspitze eines Direktschreibinstruments, das ein Muster auf einem Substrat ausbildet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
7 eine Darstellung eines Musters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
8 eine Darstellung eines Musters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
9 eine Darstellung einer Membranelektrodenanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
10 eine Darstellung einer Seite einer Membranelektrodenanordnung mit einer ersten und einer zweiten Beschichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
11 eine Darstellung eines Systems einer Membranelektrodenanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
12a eine Darstellung einer Ultraschallsonde ist, die über einem Substrat angewendet ist;
12b eine Darstellung einer Ultraschallsonde ist, die unter einem Substrat angewendet ist.
Für Fachleute ist es offensichtlich, dass Bauelemente in den Figuren zur Vereinfachung und Verdeutlichung dargestellt und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind. Beispielsweise können die Abmessungen von einigen der Elemente in den Figuren bezüglich anderer Elemente übertrieben dargestellt sein, um ein Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unterstützend zu verbessern.
In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 2 für Kraftfahrzeuganwendungen gezeigt. Es sei jedoch angemerkt, dass auch andere Anwendungen mit Brennstoffzellensystemen, wie beispielsweise auf dem Gebiet von häuslichen Systemen, ebenfalls mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden bzw. aus dieser einen Nutzen ziehen können. Wie gezeigt ist, umfasst das Brennstoffzellensystem 2 einen Primärreaktor 4, einen Wasser-Gas-Shift-Reaktor 6, einen Reaktor 7 für selektive Oxidation (PrOx-Reaktor), zumindest einen Wärmetauscher 8, einen Abgasbrenner 9 und eine Brennstoffzelle 10. Nun folgt eine Erläuterung dieser Komponenten und des Betriebs des Brennstoffzellensystems 2. Es sei angemerkt, dass, während eine bestimmte Konstruktion eines Brennstoffzellensystems beschrieben wird, die vorliegende Erfindung auf beliebige Konstruk tionen von Brennstoffzellensystemen anwendbar sein kann, bei denen katalytische Beschichtungen verwendet werden.
In dem Primärreaktor 4 wird ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff, wie beispielsweise Benzin oder Methan, Luft und Dampf gemischt, erhitzt und an ein mit Katalysator versehenes Substrat geliefert. Hier wird die Mischung in Wasserstoff, Kohlenmonoxid und andere Prozessgase aufgeteilt, während die Mischung über den Katalysator strömt und mit diesem reagiert, wobei ein wasserstoffreicher Strom gebildet wird. Geeignete Katalysatormaterialien umfassen Metalle der Platingruppe sowie Grundmetalle bzw. Basismetalle. Diese Reaktion erfolgt bei Temperaturen im Bereich zwischen etwa 700°C und etwa 800°C.
Der wasserstoffreiche Strom, der den Primärreaktor 4 verlässt, tritt in den Wasser-Gas-Shift-Reaktor 6 ein. Sauerstoff von Wasser wird dazu verwendet, Kohlenmonoxid in Kohlendioxid umzuwandeln, wobei zusätzlicher Wasserstoff zurückbleibt und den Systemwirkungsgrad erhöht. Die Betriebstemperaturen des Shift-Reaktors 6 liegen im Bereich von etwa 250°C bis etwa 450°C. Der wasserstoffreiche Strom, der den Shift-Reaktor 6 verlässt, tritt dann in den PrOx-Reaktor 7 ein, in dem die Endreinigung bezüglich Kohlenmonoxid erfolgt, bevor der wasserstoffreiche Strom in den Brennstoffzellenstapel (Brennstoffzellenstack) eintritt. Es wird Luft zugesetzt, um den Sauerstoff zu liefern, der dazu benötigt wird, den größten Teil des verbleibenden Kohlenmonoxids in Kohlendioxid umzuwandeln, wobei dahinter zusätzlicher Wasserstoff zurückbleibt. Die Betriebstemperaturen in dem PrOx-Reaktor 7 liegen im Bereich von etwa 80°C bis etwa 200°C. Kombiniert gewinnen diese drei Reaktoren Wasserstoff von dem Brennstoff und verringern oder beseitigen schädliche Emissionen.
Die drei Reaktoren werden schnell auf ihre Betriebstemperaturen erhitzt, bevor der Brennstoff eingeführt wird. Der Wärmetauscher 8 wird daher dazu verwendet, die verschiedenen Temperaturen in dem gesamten Brennstoffzellensystem 2 zu regulieren. Typischerweise wärmt der Wärmetauscher 8 den Dampf und die Luftströme vor Eintritt in den Primärreaktor 4 vor. Die Abwärme von dem wasserstoffreichen Strom verlässt den Primärreaktor 4.
Der wasserstoffreiche Strom wird anschließend an die Brennstoffzelle 10 geliefert, die einen Stapel (Stack) von Brennstoffzellen umfassen kann, und reagiert mit Sauerstoff von einer Quelle, wie beispielsweise Luft, um Elektrizität zu erzeugen, die dazu verwendet werden kann, eine Last 11 zu betreiben. Die kleinen Mengen an nicht verwendetem Wasserstoff, die die Brennstoffzelle 10 verlassen, werden in dem Abgasbrenner 9 verbraucht, der bei Temperaturen zwischen etwa 300°C und etwa 800°C arbeitet. Es sei angemerkt, dass, während eine Serie von Reaktoren als die Wasserstoffquelle beschrieben worden ist, jegliche Wasserstoffquelle mit der vorliegenden Erfindung verwendbar ist.
In 2 ist ein Fahrzeug gezeigt, das eine Fahrzeugkarosserie 90 und ein Brennstoffzellensystem aufweist, das einen Brennstoffzellenprozessor 4 und einen Brennstoffzellenstapel 15 besitzt. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung in einem Brennstoffzellenstapel und einer Brennstoffzelle ausgeführt unter Bezugnahme auf die 3 bis 9 beschrieben.
3 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 15 mit einem Paar von Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 20 und 22, die voneinander durch eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte 30 getrennt sind. Die Platte 30 dient als eine bipolare Platte mit einer Vielzahl von Fluiddurchflusskanälen 35, 37 zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen an die MEAs 20 und 22. Mit einem "Fluiddurchflusskanal" ist ein Weg, Bereich, eine Fläche oder ein beliebiger anderer Bereich auf der Platte gemeint, der dazu verwendet wird, Fluid in, aus, entlang oder durch zumindest einen Anteil der Platte zu transportieren. Die MEAs 20 und 22 und die Platte 30 sind zwischen Klemmplatten 40 und 42 und elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatten 32 und 34 aufeinandergestapelt. Die Platten 32 und 34 dienen als Endplatten, die im Gegensatz zu beiden Seiten der Platte nur auf einer Seite Kanäle 36 bzw. 38 besitzen, um Brennstoff- und Oxidationsmittelgase an die MEAs 20 und 22 zu verteilen.
Nichtleitende Dichtungen 50, 52, 54 und 56 sehen Abdichtungen und eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedene Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Ein gasdurchlässiges Diffusionsmediummaterial 60, 62, 64 und 66 wird an die Elektrodenseiten der MEAs 20 und 22 gepresst. Platten 32 und 34 werden an das Diffusionsmediummaterial 60 bzw. 66 gepresst, während die Platte 30 an das Diffusionsmediummaterial 62 auf der Anodenseite der MEA 20 und an das Diffusionsmediummaterial 64 auf der Kathodenseite der MEA 22 gepresst wird.
Ein oxidierendes Fluid, wie beispielsweise O₂, wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von einem Speichertank 70 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 86 geliefert. Während das oxidierende Fluid an die Kathodenseite geliefert wird, wird ein reduzierendes Fluid, wie beispielsweise H₂, an die Anodenseite der Brennstoffzelle von einem Speichertank 72 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 88 geliefert. Das reduzierende Fluid kann von einer Mischung aus Methan oder Benzin, Luft und Wasser gemäß einem Reformierungsprozess in der Anwesenheit eines Katalysators abgeleitet werden. Es ist auch eine Austragsverrohrung (nicht gezeigt) für sowohl die H₂- als auch O₂/Luft-Seiten der MEAs vorgesehen. Es ist eine zusätzliche Verrohrung 80, 82 und 84 zur Lieferung von flüssigem Kühlmittel an die Platte 30 und die Platten 32 und 34 vorgesehen. Ebenfalls ist eine geeignete Verrohrung zum Austrag von Kühlmittel von den Platten 30, 32 und 34 vorgesehen, jedoch nicht gezeigt.
In 4 ist eine Explosionsansicht einer Membranelektrodenanordnung 20 gezeigt, die eine Anodenschicht 102, eine Kathodenschicht 106 und einen Elektrolyt 104 umfasst, der die Anodenschicht 102 und die Kathodenschicht 106 trennt. Die Membranelektrodenanordnung 20 und die Membranelektrodenanordnung 22 sind identisch. Zur Vereinfachung ist die vorliegende Erfindung in Bezug auf die Membranelektrodenanordnung 20 beschrieben, wobei es anzumerken sei, dass die vorliegende Erfindung auf die Membranelektrodenanordnung 22 sowie Membranelektrodenanordnungen im Allgemeinen angewendet werden kann.
Allgemein sind die Anodenschicht 102 und die Kathodenschicht 106 Beschichtungen, die derart ausgebildet sind, dass sie mit dem Elektrolytmaterial in engem Kontakt stehen, sobald die Brennstoffzelle 10 (1) zusammengebaut ist. Nachfolgend werden Verfahren zur Formung einer katalytischen Beschichtung auf einem Substrat erläutert. Der erste Schritt bei dem Verfahren besteht darin, ein katalytisches Fluid vorzubereiten. Allgemein ist das katalytische Fluid eine Lösung aus Ionomer, Edelmetallkatalysator, Lösungsmittel und Wasser. Eine Lösung aus Ionomer und Edelmetallkatalysator wird typischerweise auf einem Träger in einer Mischung des Lösungsmittels und Wassers vorbereitet. Abhängig von der gewünschten Viskosität des katalytischen Fluids und des gewünschten Verhältnisses von Kohlenstoff zu Ionomer können verschiedene Mengen verwendet werden. Allgemein werden zwischen etwa 30 Gramm und etwa 250 Gramm Lösungsmittel mit etwa 130 Gramm bis etwa 200 Gramm Wasser und mit etwa 5 Gramm bis etwa 30 Gramm Ionomer und mit etwa 5 Gramm bis etwa 20 Gramm Edelmetallkatalysator zusammengemischt, um eine Lösung zu bilden. Der Träger, der für die Lösung des Ionomers und Edelmetallkatalysators verwendet wird, ist typischerweise Kohlenstoff mit einer hohen Oberfläche. Die Menge an Kohlenstoff liegt allgemein zwischen etwa 5 Gramm und etwa 20 Gramm. Genauer umfasst die katalytische Lösung etwa 4 Gew.-% Edelmetall, etwa 4 Gew.-% Ionomer, etwa 4 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 28 Gew.-% Wasser und etwa 60 Gew.-% Lösungsmittel.
Der Edelmetallkatalysator kann aus Platin, Platinlegierungen und deren Kombinationen gewählt sein. Das Lösungsmittel kann aus Isopropylalkohol, Ethanol, Butanol und deren Kombinationen gewählt sein. Das katalytische Fluid kann so vorbereitet werden, dass es eine Viskosität zwischen etwa 0,070 kg/m·s (70 cp) und etwa 2,0 kg/m·s (2000 cp) und insbesondere eine Viskosität von etwa 0,3 kg/m·s (300 cp) aufweist. Das katalytische Fluid kann derart vorbereitet werden, dass es ein Verhältnis von Ionomer zu Kohlenstoff von etwa 0,8 bis etwa 2,0 aufweist. Die Menge an Feststoff in der Lösung liegt zwischen etwa 8 Gew.-% und etwa 20 Gew.-% und insbesondere bei etwa 12 Gew.-%.
Sobald das katalytische Fluid vorbereitet ist, wird es auf ein Substrat 110 unter Verwendung eines Direktschreibinstruments ausgege ben. Mit "Direktschreiben" ist ein Auftragen bzw. Abscheiden von Fluid direkt auf eine Fläche eines Substrates in einem Muster gemeint, das durch die Bewegung des Instrumentes, die Bewegung des Substrates oder die Bewegung von beiden definiert ist. Beim Direktschreiben bildet das aufgetragene Fluid eine relativ gut definierte Linie oder Fläche der Auftragung relativ zu den Gesamtabmessungen der Auftragungsfläche oder des aufgetragenen Musters. Eine relative Bewegung zwischen der Fluidquelle und dem Auftragungssubstrat erhöht das Ausmaß der gut definierten Linie oder Auftragungsfläche, um ein ausgedehnter bzw. umfassender aufgetragenes Muster zu erzeugen.
5 zeigt eine Ausführungsform eines Direktschreibinstrumentes gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Direktschreibinstrument 150 umfasst ein Gestaltungs- bzw. Entwurfssystem 152, eine Schreibsystemsteuerung 154 und ein Schreibsystem 160. Das Schreibsystem 160 umfasst ferner ein Fluidabgabesystem 168, eine Düse 166, eine Düsenspitze 167 und eine Substrathaltevorrichtung 162. Das Gestaltungssystem 152 speichert ein Muster, das auf einem Graphikdisplay aufgezeichnet ist. Das Gestaltungssystem 152 steht elektronisch mit der Schreibsystemsteuerung 154 in Verbindung, so dass die Schreibsystemsteuerung 154 das Muster kennt und das Schreibsystem 160 auf eine Art und Weise steuert, die zulässt, dass das Schreibsystem 160 das in dem Gestaltungssystem 152 gespeicherte Muster auf dem Substrat 110 aufzeichnen kann.
Wie in den 5 und 6 gezeigt ist, steht die Schreibsystemsteuerung 154 elektronisch mit dem Fluidabgabesystem 168 und der Substrathaltevorrichtung 162 in Verbindung. Daher erlaubt die Schreibsystemsteuerung 154, dass das Fluidabgabesystem 168 das katalytische Fluid an die Düse 166 liefern kann. Das katalytische Fluid wird durch die Düsenspitze 167 auf das Substrat 110 abgegeben. Das katalytische Fluid kann auf eine beliebige Art und Weise bzw. durch beliebige Mittel an das Fluidabgabesystem 168 geführt werden.
Die Schreibsystemsteuerung 154 erlaubt, dass die Substrathaltevorrichtung 162 sich in eine Vielzahl von Positionen bewegen kann, die das Muster 170 bilden, das in dem Gestaltungssystem gespeichert ist. Durch Bewegung der Substrathaltevorrichtung 167 in verschiedene Positionen wird das Substrat 110 genau unter der Düsenspitze 167 angeordnet, während das katalytische Fluid auf das Substrat 110 abgegeben wird. Auf diese Art und Weise bewegen sich die Düse 166 und die Düsenspitze 167 nicht, sondern bleiben stationär, während das katalytische Fluid abgegeben wird. Auch wird der Druck der Düsenspitze 167 so gesteuert, dass kein direkter Oberflächenkontakt mit dem Substrat 110 erfolgt. Bei einer anderen Ausführungsform bleibt die Substrathaltevorrichtung 162 stationär, während sich bei Abgabe des katalytischen Fluids die Düse 166 und die Düsenspitze 167 über das Substrat 110 bewegen.
Das Gestaltungssystem 152 kann eine beliebige Schnittstelle für rechnerunterstützte Konstruktion (CAD-Schnittstelle) sein, die die Gestaltung eines Musters über einen Graphikeditor, ein Graphiktablett bzw. Digitalisiertablett oder eine Schnittstelle durch eine gattungsgemäße Photoplotterschnittstelle ermöglicht. Die Düse 166 kann erhitzt werden, um zu ermöglichen, dass das katalytische Fluid in einem geschmolzenen Zustand bleibt, so dass es leicht durch die Düsenspitze 167 abgegeben wird. Die Breite und Dicke der Linie oder der Linien 169, die das Muster 170 bilden, hängen von dem Düsenspitzendurchmesser, der Volumendurchflussrate des Fluides zu der Düsenspitze und der Schreibgeschwindigkeit ab. Die Schreibgeschwindigkeit kann abhängig von der Bewegung des Substrates 110 relativ zu der Düsenspitze 167 oder der Bewegung der Düsenspitze 167 relativ zu dem Substrat variieren. Somit kann die Li niendicke durch die folgende Gleichung: t = Q/(Vw) bestimmt werden, wobei Q = Volumendurchflussrate, w = Linienbreite, V = Schreibgeschwindigkeit und t = Liniendicke. Die Viskosität des Fluides bestimmt, wie eng die Linienbreite mit dem Düsenspitzendurchmesser übereinstimmt, d.h. ein Fluid mit niedriger Viskosität fließt und daher ist die Linienbreite größer als der Düsenspitzendurchmesser, während ein Fluid mit hoher Viskosität nicht so gut fließt und daher die Linienbreite in etwa dem Düsenspitzendurchmesser entspricht.
Die Düsenspitze 167 kann zumindest eine Linie erzeugen, die eine Breite zwischen etwa 0,0508 mm (0,002 Zoll) bis etwa 6,35 mm (0,25 Zoll) besitzt. Wenn mehr als eine Linie gewünscht ist, kann ein Raum bis zu etwa 0,0127 mm (0,0005 Zoll) zwischen den Linien ausgebildet werden. Die Liniendicke kann pro Durchgang mit der Düse bis zu etwa 0,254 mm (0,010 Zoll) betragen. Die Linie kann Toleranzen von etwa +/– 0,000635 mm (0,000025 Zoll) besitzen. Das Instrument schreibt mit einer Geschwindigkeit zwischen etwa 1,27 mm pro Sekunde (0,05 Zoll pro Sekunde) bis etwa 127 mm pro Sekunde (5,0 Zoll pro Sekunde). Das Instrument 150 arbeitet bei einem minimalen Rasterschritt (grid pitch) von 0,0127 mm (0,0005 Zoll).
Das Muster 170, das auf dem Substrat 110 ausgebildet wird, kann aus einer rechtwinkligen Spirale, einer geraden Linie, einer Serie von Linien oder einem beliebigen geeigneten geometrischen Muster gewählt werden. Ein Beispiel eines Musters 170 mit einer Linie oder einer Serie von Linien 169, die eine rechtwinklige Spirale bilden, ist in 7 gezeigt. Der Abstand zwischen benachbarten Linien kann eingestellt werden. Für den Fall, dass kein Abstand zwischen benachbarten Linien vorhanden sein soll, bildet das Muster 170 eine einzelne kontinuierliche Beschichtung über das gesamte Substrat 110. 8 zeigt ein Muster 170 mit einer Serie von Linien 169, das durch ein Direktschreiberinstrument gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
Typischerweise wird, nachdem das Muster auf dem Substrat 110 ausgebildet ist, das Substrat 110 durch eine Wärmequelle mit einer Temperatur zwischen etwa 70°C und etwa 100°C getrocknet. Das Muster bildet, sobald es getrocknet ist, eine Beschichtung auf dem Substrat 110. Die Wärmequelle ist auswählbar aus einem Infrarotheizelement, einem Konvektionsofen, erhitzten Strahlen (Jets) bzw. Gasströmen oder einer anderen beliebigen geeigneten Heizvorrichtung zur Entfernung von Lösungsmittel von dem katalytischen Fluid. Das Substrat 110 wird der Wärme über eine Zeitdauer ausgesetzt, die ausreichend ist, um im Wesentlichen das gesamte Lösungsmittel in der Beschichtung zu verdampfen, und insbesondere zwischen etwa 2 Minuten und etwa 10 Minuten ausgesetzt.
Das Verfahren zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung kann abhängig von dem Substrat, auf das das katalytische Fluid abgegeben wird, variieren. Das Substrat ist im Allgemeinen auswählbar aus einem Zwischenmaterial, einem Diffusionsmediummaterial oder einem Elektrolytmembranmaterial.
Wenn das Substrat ein Zwischenmaterial ist, dann wird die katalytische Lösung in dem programmierten Muster auf das Zwischenmaterial durch ein Direktschreibinstrument aufgetragen. Das beschichtete Substrat wird anschließend bei einer Temperatur zwischen etwa 70°C bis etwa 100°C typischerweise in einem Ofen getrocknet. Nachdem das Substrat trocken ist, kann eine sekundäre Ionomerlösung auf das Substrat aufgebracht und getrocknet werden. Die Aufbringung der Ionomerlösung wird typischerweise durch Sprühen ausgeführt. Die Beschichtung, die auf dem Zwischenmaterial ausgebildet ist, wird dann an ein Elektrolytmembranmaterial typischerweise unter Verwendung einer Heißpressenübertragung übertragen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein zweites Fluid, das nicht-reagierend ist, auf das Zwischenmaterial nach dem Auftragen des katalytischen Fluides oder gleichzeitig mit dem katalytischen Fluid aufgebracht werden. Die Beschichtung, die auf dem Zwischenmaterial ausgebildet ist, wird dann an ein Elektrolytmembranmaterial übertragen. Das Zwischenmaterial ist typischerweise auswählbar aus Polytetrafluorethylen, Ethylentetrafluorethylen oder Variationen davon. Das nichtkatalytische Fluid wird nachfolgend detaillierter beschrieben.
Ein zweites Substrat, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist ein Diffusionsmediummaterial. Wenn das Diffusionsmediummaterial verwendet wird, wird das katalytische Fluid wie oben beschrieben vorbereitet und dann auf das Diffusionsmediummaterial unter Verwendung eines Direktschreibinstrumentes, wie oben beschrieben ist, in einem beliebigen Muster, wie oben beschrieben ist, aufgetragen.
Das beschichtete Diffusionsmediummaterial wird dann getrocknet. Das Diffusionsmediummaterial kann ein beliebiges geeignetes Diffusionsmediummaterial sein, das in Brennstoffzellen verwendet wird. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein zweites Fluid, das ein nichtkatalytisches Fluid ist, auf das Diffusionsmediummaterial nach dem Auftragen des katalytischen Fluids oder gleichzeitig mit dem katalytischen Fluid aufgebracht werden.
Als eine Alternative kann das Substrat das Elektrolytmembranmaterial sein. Daher wird das katalytische Fluid direkt auf das Elektrolytmembranmaterial aufgetragen. Das beschichtete Elektrolytmem branmaterial wird dann getrocknet. Das Elektrolytmembranmaterial kann eine protonenleitende Membran sein, wie beispielsweise perfluorierte Sulfonsäure oder einige Abwandlungen davon.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein zweites Fluid, das nicht katalytisch ist, auf das Elektrolytmembranmaterial nach dem Auftragen von katalytischem Fluid oder gleichzeitig mit dem katalytischen Fluid aufgebracht werden, wodurch eine katalytische Beschichtung und eine nichtkatalytische Beschichtung auf einer Seite des Elektrolytmembranmaterials ausgebildet wird. In 9 ist eine MEA 180 mit sowohl der katalytischen Beschichtung 182 als auch der nichtkatalytischen Beschichtung 184 gezeigt. Das nichtkatalytische Fluid bildet eine nichtkatalytische Beschichtung 184, wenn es getrocknet wird. Das nichtkatalytische Fluid wird auf eine solche Art und Weise aufgetragen, dass es das katalytische Fluid "abschattet". Mit "Abschatten" ist gemeint, dass ein Fluid dem Umriss des anderen Fluids folgt, so dass das eine Fluid nicht direkt über dem anderen Fluid aufgetragen wird. Wenn dies verwendet wird, füllt das nichtkatalytische Fluid die Räume zwischen den Linien des katalytischen Fluids auf dem Substrat 202.
Das nichtkatalytische Fluid umfasst ein Material, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit, eine hohe thermische Leitfähigkeit und eine geringe Porosität aufweist. Das nichtkatalytische Fluid kann ein kohlenstoffhaltiges Material, Russ, Carbon Black, Graphit oder Kombinationen davon sein. Das kohlenstoffhaltige Material kann auch einen Polymerbinder umfassen, wie beispielsweise Polyimid, Polyethylenterephthalat und deren Kombinationen. Die Viskosität des nichtkatalytischen Fluids kann geeignet eingestellt werden, um Bereiche zwischen den katalytischen Beschichtungen, die in 9 gezeigt sind, rasch zu füllen. Allgemein weist das nichtkatalytische Fluid eine Viskosität zwischen etwa 0,3 kg/m·s (300 cp) und etwa 10 kg/m·s (10.000 cp) auf. Das nichtkatalytische Fluid kann derart abgegeben werden, dass es auf dem Substrat dicker als das katalytische Fluid ist.
In 10 ist eine Ausführungsform einer MEA 180 mit einer katalytischen Beschichtung 182 und einer nichtkatalytischen Beschichtung 184 gezeigt. Das katalytische Fluid kann in einem Muster aufgetragen werden, das erlaubt, dass die Linien der katalytischen Beschichtung 182 mit Kanälen in einer Durchflussfeldplatte ausgerichtet sind. Das nichtkatalytische Fluid kann anschließend in einem Muster aufgetragen werden, das erlaubt, dass die Linien der nichtkatalytischen Beschichtung 184 mit den Stegen 186 in der Durchflussfeldplatte ausgerichtet sind. Dies kann auf beiden Seiten des Substrates 202 so erreicht werden, dass das katalytische Fluid, das die katalytische Anodenbeschichtung 182a bildet, mit den Kanälen 185 der Anodendurchflussfeldplatte ausgerichtet ist. Daher liegt die nichtkatalytische Beschichtung 184 zwischen den Räumen des katalytischen Fluids oder der katalytischen Anodenbeschichtung 182a, wobei eine nichtkatalytische Beschichtung 184 auf den Stegen 186 der Anodendurchflussfeldplatte gebildet wird. Ähnlicherweise ist auf der Kathodenseite der MEA 180 das katalytische Fluid, das die katalytische Kathodenbeschichtung 182b bildet, mit den Kanälen 187 der Kathodendurchflussfeldplatte ausgerichtet. Somit wird das nichtkatalytische Fluid zwischen den Räumen des katalytischen Fluids oder der katalytischen Kathodenbeschichtung 182b aufgetragen, wobei eine nichtkatalytische Beschichtung 184 auf den Stegen 186 der Kathodendurchflussfeldplatte gebildet wird. Die katalytische Anodenbeschichtung 182a und die katalytische Kathodenbeschichtung 182b sind schmäler gezeigt als die Öffnung der Kanäle 185 bzw. 187. Es sei angemerkt, dass die katalytische Anodenbeschichtung 182a und die katalytische Kathodenbeschichtung 182b derart geformt werden können, dass die Beschichtung so breit wie die Kanäle 185, 187 oder breiter ist. Dieses Konzept ist detaillierter in der Anmeldung mit der Seriennummer US 10/201,828 erläutert.
Wenn das nichtkatalytische Fluid verwendet wird, um eine nichtkatalytische Beschichtung 184 auf dem Substrat 202 zu formen, und das Substrat ein Elektrolytmembranmaterial ist, kann die Brennstoffzelle die Verwendung des Diffusionsmediummaterials in einer Brennstoffzelle beseitigen. Somit wäre die resultierende Brennstoffzelle identisch zu der Brennstoffzelle 10, die in 3 gezeigt ist; jedoch wäre das Diffusionsmedium 60, 62, 64 und 66 nicht vorhanden.
In 11 ist ein MEA-Herstellsystem 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das System besitzt drei Hauptstationen: eine erste Beschichtungsstation, eine zweite Beschichtungsstation und eine Matrizenschneidestation. Das Substrat 202 wird auf einer Zufuhrrolle 212 angeordnet, wobei das Substrat 202 durch Walzen 216, 218, 224 und 226 von Station zu Station gezogen wird. An der ersten Beschichtungsstation wird das Substrat 202 über eine erste Substrathaltevorrichtung 214 gezogen. Sobald es sich über der ersten Substrathaltevorrichtung 214 befindet, gibt eine Düse 210a katalytisches Fluid direkt auf die erste Seite 202a des Substrates 202 ab. Das katalytische Fluid wird typischerweise in der Form eines Musters abgegeben, wie oben beschrieben ist. Das Substrat 202 wird dann in den ersten Trocknungsbereich 215 gezogen. Der erste Trocknungsbereich 215 kann ein Feld von erhitzten Strahlen (Jets) bzw. Gasströmen, eine Infrarotheizeinrichtung, ein Konvektionsofen oder eine aridere geeignete Vorrichtung sein, mit der ein Großteil an Lösungsmittel von dem katalytischen Fluid entfernt werden kann. Der erste Trocknungsbereich 215 hält typischerweise eine Temperatur zwischen etwa 70°C und etwa 100°C bei. In dem ersten Trocknungsbereich 215 trocknet das katalytische Fluid auf das Substrat 202 und bildet eine katalytische Beschichtung auf dem Substrat 202. Die katalytische Beschichtung kann entweder eine Anodenbeschichtung oder eine Kathodenbeschichtung sein.
Anschließend wird das Substrat 202 zu einer zweiten Beschichtungsstation gezogen. In der zweiten Beschichtungsstation wird das Substrat 202 über eine zweite Substrathaltevorrichtung 228 gezogen. Ein katalytisches Fluid wird auf die zweite Seite 202b des Substrats 202 aufgetragen. Das katalytische Fluid kann auf das Substrat 202 in einer Art und Weise abgegeben werden, dass ein Muster gebildet wird, wie oben beschrieben ist. Während das Substrat durch den ersten Trocknungsbereich 215 gezogen wird, wird es so gedreht, dass die erste Seite 202a des Substrats 202 auf die gegenüberliegende Suite weist, so dass Düse 220a ein katalytisches Fluid auf die zweite Seite 202b des Substrats 202 aufbringen kann. Nachdem das katalytische Fluid auf die zweite Seite 202b des Substrats 202 aufgebracht ist, wird das Substrat 202 zu einem zweiten Trocknungsbereich 222 gezogen. Der zweite Trocknungsbereich 222 kann ein Feld von erhitzten Strahlen (Jets) bzw. Gasströmen, eine Infrarotheizeinrichtung, ein Konvektionsofen oder eine andere beliebige geeignete Vorrichtung sein, mit der ein Großteil von Lösungsmittel von dem katalytischen Fluid entfernt werden kann. Der zweite Trocknungsbereich 222 behält typischerweise eine Temperatur zwischen etwa 70°C und etwa 100°C bei. Während sich das Substrat in dem zweiten Trocknungsbereich 222 befindet, bildet das katalytische Fluid, das auf der zweiten Seite 202b des Substrats 202 aufgetragen ist, eine katalytische Beschichtung über dem Substrat 202. Die katalytische Beschichtung kann entweder eine Anodenbeschichtung oder eine Kathodenbeschichtung sein.
Das Substrat 202 wird dann zu einer Schneidestation 230 gezogen, an der das Substrat 202 in separate Stücke geschnitten wird, so dass jedes Substratstück 202 sowohl eine Anodenbeschichtung als auch eine Kathodenbeschichtung aufweist. Das Substrat 202 kann ferner derart geschnitten werden, dass ein Muster, das auf dem Substrat 202 durch das Fluid geformt worden sein kann, nicht unterbrochen wird.
Wie 11 zeigt, können mehr als eine Düse 210a, 210b, 220a und 220b an jeder Station verwendet werden, um mehr als ein Fluid auf das Substrat 202 gleichzeitig aufzutragen. Während nur zwei Düsen an jeder Station gezeigt sind, sei angemerkt, dass ein Feld von Düsen vorgesehen sein kann. Wenn mehr als ein Fluid gleichzeitig aufgetragen wird, kann ein Fluid das andere Fluid abschatten. Obwohl das nichtkatalytische Fluid oben als das zweite Fluid beschrieben worden ist, sei angemerkt, dass das zweite Fluid ein beliebiges gewünschtes Fluid sein kann. Beispielsweise kann das zweite Fluid ein Fluid sein, das eine größe Menge an Edelmetall enthält, das in der Nähe des Einlasses und Auslasses der MEA aufgebracht wird. Dann kann ein Fluid, das eine geringere Menge an Edelmetall aufweist, in dem Zentralbereich der MEA abgeschieden werden, wodurch ein Anteil der Verluste hinsichtlich Verschleißfestigkeit und Stoffübergang gemindert wird.
Die Düsen 210a, 210b, 220a und 220b sind typischerweise an einem Direktschreibinstrument befestigt, wie oben beschrieben ist. Das Fluid wird typischerweise auf das Substrat 202 in der Form eines der oben beschriebenen Muster abgegeben. Das katalytische Fluid wird wie oben beschrieben vorbereitet. Die ersten und zweiten Substrathaltevorrichtungen 214 und 228 können Vakuumtische oder andere geeignete Vorrichtungen sein, um das Substrat an der Stelle zu halten.
In den 12a und 12b ist ein zusätzlicher Schritt für das Verfahren zum Auftragen von mehr als einem Fluid auf das Substrat gezeigt. Es kann Ultraschallenergie aufgebracht werden, um eine Beschichtung des Substrates 202 zu unterstützen. Eine Ultraschallsonde 250 kann über dem katalytischen Fluid 240 und dem nichtkatalytischen Fluid 242 angeordnet werden, wenn die Fluide von den Düsen 210a und 210b auf das Substrat 202 abgegeben werden. Die Ultraschallsonde 250 überträgt akustische Energie 251 durch die Luft über der Kontaktlinie 241 des katalytischen Fluids 240 und des nichtkatalytischen Fluids 242, wie in 12a gezeigt. Wie insbesondere in 12b gezeigt ist, kann die Ultraschallsonde 250 unterhalb des Substrates 202 angeordnet werden, um akustische Energie 251 durch das Substrat 202 zu übertragen, wenn das katalytische Fluid 240 und das nichtkatalytische Fluid 242 von den Düsen 210a und 210b abgegeben werden. Die akustische Energie 251 wird an die Kontaktlinie 241 des katalytischen Fluids 240 und des nichtkatalytischen Fluids 242 übertragen.
Die akustische Energie 251 wird kontinuierlich auf die Kontaktlinie 241 aufgebracht, so dass eine Oberflächenspannung an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Flüssigkeit an dem Punkt der Aufbringung kontinuierlich verringert ist, wodurch eine bessere Fluidströmung ermöglicht wird und eine glatte Grenzfläche zwischen den Fluiden 240 und 242 erzeugt wird. Es sei angemerkt, dass, während die 12a und 12b unter Verwendung von Düsen 210a und 210b gezeigt sind, die an der ersten Beschichtungsstation betrieben werden, die 12a und 12b auch Düsen 220a und 220b zeigen, die an der zweiten Beschichtungsstation betrieben werden. Es sei ebenfalls angemerkt, dass die akustische Energie 251 in einem beliebigen geeigneten System mit beliebigen geeigneten Verfahren zur Herstellung der MEA mit zwei Fluiden verwendet werden kann, die sowohl ein katalytisches als auch ein nichtkatalytisches Fluid umfassen, das auf ein Substrat aufgetragen wird. Es sei ferner angemerkt, dass, während dieser Schritt unter Verwendung von akustischer Energie von einer Ultraschallsonde erläutert ist, jegliches Instrument oder jegliche Energie verwendet werden kann, die eine Oberflächenspannung an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Flüssigkeit entlasten kann.
Zusammengefasst ist die vorliegende Erfindung auf verschiedene Verfahren zur Formung einer katalytischen Beschichtung auf einem Substrat gerichtet. Das Verfahren umfasst, dass ein katalytisches Fluid vorbereitet wird und das katalytische Fluid durch Verwendung eines Direktschreiberinstruments auf ein Substrat abgegeben wird.

Claims

Verfahren zur Formung einer katalytischen Beschichtung auf einem Substrat, das umfasst, dass: ein katalytisches Fluid vorbereitet wird; das katalytische Fluid auf ein Substrat, das eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, unter Verwendung eines Direktschreibinstruments abgegeben wird, das derart programmiert worden ist, dass das katalytische Fluid auf das Substrat in einem Muster abgegeben wird, das eine katalytische Beschichtung auf der ersten Seite des Substrates bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass das katalytische Fluid getrocknet wird, nachdem das katalytische Fluid auf die erste Seite des Substrats abgegeben ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorbereitung eines katalytischen Fluids umfasst, dass: eine Mischung aus etwa 30 Gramm bis etwa 250 Gramm Lösungsmittel und etwa 130 Gramm bis etwa 200 Gramm Wasser vorbereitet wird; und eine Lösung aus etwa 5 Gramm bis etwa 30 Gramm Ionomer und etwa 5 Gramm bis etwa 20 Gramm Platin, die auf Kohlenstoff mit einer hohen Oberfläche getragen werden, in der Mischung aus Lösungsmittel und Wasser vorbereitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das katalytische Fluid zumindest ein Ionomer, zumindest ein Edelmetall, Kohlenstoff, ein Lösungsmittel und Wasser umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das zumindest eine Ionomer ein perfluoriertes Polymer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das zumindest eine Edelmetall Platin umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das zumindest eine Ionomer und das zumindest eine Edelmetall von dem Kohlenstoff getragen werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Lösungsmittel Isopropylalkohol umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das katalytische Fluid etwa 4 Gew.-% Platin, etwa 4 Gew.-% Ionomer, etwa 4 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 28 Gew.-% Wasser und etwa 60 Gew.-% Lösungsmittel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das katalytische Fluid perfluoriertes Polymer und Kohlenstoff umfasst und ein Verhältnis von perfluoriertem Polymer zu Kohlenstoff von etwa 0,8 bis etwa 2,0 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das katalytische Fluid eine Viskosität von etwa 0,070 kg/m·s (70 cp) bis etwa 2,0 kg/m·s (2000 cp) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das katalytische Fluid eine Viskosität von etwa 0,3 kg/m·s (300 cp) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das katalytische Fluid etwa 8 % bis etwa 20 % Feststoffe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das katalytische Fluid etwa 12 % Feststoffe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das katalytische Fluid eine Wasserstoffoxidation unterstützt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das katalytische Fluid eine Wasserstoffreduktion unterstützt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus einem Elektrolytmaterial, einer Polytetrafluorethylentafel und einem Gasdiffusionsmedium gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Elektrolytmaterial eine Protonen leitende Membran umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Elektrolytmaterial perfluorierte Sulfonsäure umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die katalytische Beschichtung derart abgegeben wird, dass sie über die erste Seite des Substrats eine im Wesentlichen gleichförmige Dicke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die katalytische Beschichtung derart ausgebildet wird, um die Wahrscheinlichkeit einer Ionisierung eines auf Wasserstoff basierenden Brennstoffs zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die katalytische Beschichtung derart ausgebildet wird, um die Wahrscheinlichkeit einer Reaktion eines Wasserstoffions mit Sauerstoff zu steigern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Direktschreibinstrument derart ausgebildet wird, dass die Breite und Dicke einer Linie, die das Muster bildet, von dem Durchmesser des Direktschreibinstruments, von dem das katalytische Fluid abgegeben wird, und der Volumendurchflussrate des katalytischen Fluids abhängt.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Liniendicke t bestimmt wird durch: t = Q/(Vw),wobei Q eine Volumendurchflussrate des katalytischen Fluids darstellt, wobei V eine Schreibgeschwindigkeit des Direktschreibinstruments darstellt, und wobei w eine Linienbreite darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Muster eine Gestalt umfasst, die aus einer rechtwinkligen Spirale, einer geraden Linie, einer Serie von Linien oder einer einzelnen kontinuierlichen Beschichtung über das gesamte Substrat gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Muster eine Serie von Linien umfasst, die so gestaltet wird, dass sie mit zumindest einem Durchflussfeldkanal einer Brennstoffzelle ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die katalytische Beschichtung eine leitfähige Schicht auf der ersten Seite des Substrats bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass Ultraschallenergie auf das Substrat aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Ultraschallenergie auf die erste Seite des Substrats nach dem Abgeben des katalytischen Fluids auf die erste Seite des Substrats aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Ultraschallenergie auf die zweite Seite des Substrats nach dem Abgeben des katalytischen Fluids auf die erste Seite des Substrats aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass ein zweites Fluid auf die erste Seite des Substrats unter Verwendung eines Direktschreibinstruments abgegeben wird, das derart programmiert worden ist, so dass das zweite Fluid auf das Substrat in einem Muster abgegeben wird, das eine zweite Beschichtung auf der ersten Seite des Substrats bildet.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei das zweite Fluid ein nichtkatalytisches Fluid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei das zweite Fluid ein Edelmetall umfasst.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei das Edelmetall Platin umfasst.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei das zweite Fluid an der Peripherie der ersten Seite des Substrats aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass das katalytische Fluid auf die zweite Seite des Substrats unter Verwendung eines Direktschreibinstruments abgegeben wird, das derart programmiert worden ist, so dass das katalytische Fluid auf das Substrat in einem Muster abgegeben wird, das eine katalytische Beschichtung auf der zweiten Seite des Substrats bildet.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass ein zweites Fluid auf die zweite Seite des Substrats unter Verwendung eines Direktschreibinstruments abgegeben wird, das derart programmiert worden ist, dass das zweite Fluid auf das Substrat in einem Muster abgegeben wird, das eine zweite Beschichtung auf der zweiten Seite des Substrats bildet.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei das zweite Fluid ein nichtkatalytisches Fluid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei das nichtkatalytische Fluid in einem Schattenmuster des katalytischen Fluids abgegeben wird, um eine zweite Beschichtung auf der ersten Seite des Substrats zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei das zweite Fluid ein Edelmetall umfasst.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei das Edelmetall Platin umfasst.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei das zweite Fluid an den Enden der zweiten Seite des Substrats aufgetragen wird.
Verfahren zum Formen einer katalytischen Beschichtung auf einem Substrat, das umfasst, dass: ein katalytisches Fluid vorgesehen wird; das katalytische Fluid auf ein Substrat, das eine erste und eine zweite Seite aufweist, unter Verwendung eines Direktschreibinstruments abgegeben wird, das derart programmiert worden ist, so dass das katalytische Fluid auf die erste Seite des Substrats in einem Muster abgegeben wird, das eine katalytische Beschichtung auf der ersten Seite des Substrats bildet; und ein nichtkatalytisches Fluid auf die erste Seite des Substrats unter Verwendung des Direktschreibinstruments abgegeben wird, das derart programmiert worden ist, so dass das nichtkatalytische Fluid in einem Schattenmuster der ersten Beschichtung abgegeben wird, um eine nichtkatalytische Beschichtung auf der ersten Seite des Substrats zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei das nichtkatalytische Fluid ein kohlenstoffhaltiges Material umfasst.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei das kohlenstoffhaltige Material ein Material umfasst, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei das kohlenstoffhaltige Material ein Material umfasst, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei das kohlenstoffhaltige Material ein Material umfasst, das eine niedrige Porosität aufweist.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei das kohlenstoffhaltige Material Ruß, Carbon Black, Graphit und deren Kombinationen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei das Schattenmuster Räume in dem Muster der ersten Beschichtung füllt.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei das nichtkatalytische Fluid gleichzeitig mit dem katalytischen Fluid abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei die nichtkatalytische Beschichtung und die katalytische Beschichtung gleichzeitig ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei die nichtkatalytische Beschichtung nach der Formung der katalytischen Beschichtung ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei die katalytischen und nichtkatalytischen Beschichtungen unabhängig voneinander von dem Direktschreibinstrument abgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei das nichtkatalytische Fluid eine größere Viskosität als das katalytische Fluid besitzt.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei das nichtkatalytische Fluid eine Viskosität zwischen etwa 0,3 kg/m·s (300 cp) und etwa 10 kg/m·s (10.000 cp) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei das nichtkatalytische Fluid dicker als das katalytische Fluid ist.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei das katalytische Fluid eine Viskosität zwischen etwa 0,070 kg/m·s (70 cp) und etwa 2,0 kg/m·s (2000 cp) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei das katalytische Fluid eine Viskosität von etwa 0,3 kg/m·s (300 cp) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei die katalytische Beschichtung auf der ersten Seite des Substrats so gestaltet wird, dass sie mit Durchflussfeldkanälen einer Brennstoffzelle ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei die nichtkatalytische Beschichtung auf der ersten Seite des Substrats derart gestaltet wird, dass sie mit Durchflussfeldstegen einer Brennstoffzelle ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei die katalytische Beschichtung auf der ersten Seite des Substrats derart gestaltet wird, dass sie mit Durchflussfeldkanälen einer Brennstoffzelle ausgerichtet ist, während die nichtkatalytische Beschichtung auf der ersten Seite des Substrats so gestaltet wird, dass sie mit Durchflussfeldstegen einer Brennstoffzelle ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass: das katalytische Fluid auf die zweite Seite des Substrats unter Verwendung eines Direktschreibinstruments abgegeben wird, das derart programmiert worden ist, so dass das katalytische Fluid auf die zweite Seite des Substrats in einem Muster abgegeben wird, das eine katalytische Beschichtung auf der zweiten Seite des Substrats bildet; und das nichtkatalytische Fluid auf die zweite Seite des Substrats unter Verwendung des Direktschreibinstruments abgegeben wird, wobei das Direktschreibinstrument derart programmiert worden ist, so dass das nichtkatalytische Fluid auf die zweite Seite des Substrats in einem Schattenmuster des katalytischen Fluids abgegeben wird, um eine nichtkatalytische Beschichtung auf der zweiten Seite des Substrats zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 62, wobei die katalytische Beschichtung auf der zweiten Seite des Substrats derart gestaltet wird, dass sie mit Durchflussfeldkanälen einer Brennstoffzelle ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 62, wobei die nichtkatalytische Beschichtung auf der zweiten Seite des Substrats derart ausgebildet wird, dass sie mit Durchflussfeldstegen einer Brennstoffzelle ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 62, wobei die katalytische Beschichtung auf der zweiten Seite des Substrats derart ausgestaltet wird, dass sie mit Durchflussfeldkanälen einer Brennstoffzelle ausgerichtet ist, während die zweite Beschichtung auf der zweiten Seite des Substrats derart ausgebildet wird, dass sie mit Durchflussfeldstegen einer Brennstoffzelle ausgerichtet ist.
Verfahren zur Vorbereitung einer Elektrolytmembran zur Verwendung in einer Membranelektrodenanordnung, das umfasst, dass: ein katalytisches Fluid vorbereitet wird; das katalytische Fluid auf ein Zwischenmaterial unter Verwendung eines Direktschreibinstruments abgegeben wird, das derart programmiert worden ist, so dass das katalytische Fluid auf das Zwischenmaterial in einem Muster abgegeben wird, das eine katalytische Beschichtung auf dem Zwischenmaterial bildet; und die katalytische Beschichtung von dem Zwischenmaterial an eine Elektrolytmembran übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 66, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass das katalytische Fluid getrocknet wird, nachdem das katalytische Fluid auf das Substrat abgegeben ist.
Verfahren nach Anspruch 66, wobei eine sekundäre Ionomerlösung auf das Zwischenmaterial aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 68, wobei die sekundäre Ionomerlösung durch Sprühen auf das Zwischenmaterial aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 68, wobei das Zwischenmaterial getrocknet wird, nachdem die sekundäre Ionomerlösung aufgetragen ist.
Verfahren nach Anspruch 66, wobei das Zwischenmaterial aus Polytetrafluorethylen oder Ethylentetrafluorethylen oder deren Variationen gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 66, wobei das Übertragen der ersten Beschichtung von dem Zwischenmaterial auf die Elektrolytmembran durch eine Heißpresse ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 72, wobei die Heißpresse auf eine Temperatur zwischen etwa 140°C und etwa 165°C eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 72, wobei die Heißpresse einen Druck zwischen etwa 1300 kPa und etwa 4000 kPa verwendet.
Verfahren nach Anspruch 66, wobei die Elektrolytmembran perfluorierte Sulfonsäure oder Variationen davon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 66, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass ein nichtkatalytisches Fluid auf das Zwischenmaterial unter Verwendung des Direktschreibinstruments abgegeben wird, das derart programmiert worden ist, so dass das nichtkatalytische Fluid in einem Schattenmuster der ersten Beschichtung abgegeben wird, um eine nichtkatalytische Beschichtung auf dem Zwischenmaterial zu bilden.
Verfahren zur Vorbereitung einer Elektrolytmembran zur Verwendung in einer Membranelektrodenanordnung, das umfasst, dass: ein katalytisches Fluid vorbereitet wird; und das katalytische Fluid auf ein Elektrolytmaterial unter Verwendung eines Direktschreibinstruments abgegeben wird, das derart programmiert worden ist, so dass das katalytische Fluid auf das Elektrolytmaterial in einem Muster abgegeben wird, das eine katalytische Beschichtung auf dem Elektrolytmaterial bildet.
Verfahren nach Anspruch 77, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass das Elektrolytmaterial getrocknet wird, nachdem das katalytische Fluid auf das Elektrolytmaterial abgegeben ist.
Verfahren zur Vorbereitung eines Diffusionsmediums zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, das umfasst, dass: ein katalytisches Fluid vorbereitet wird, und das katalytische Fluid auf ein Diffusionsmedium unter Verwendung eines Direktschreibinstruments aufgetragen wird, das derart pro grammiert worden ist, so dass das katalytische Fluid auf das Diffusionsmedium in einem Muster abgegeben wird, das eine katalytische Beschichtung auf dem Diffusionsmedium bildet.
Verfahren nach Anspruch 79, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass das Diffusionsmedium getrocknet wird, nachdem das katalytische Fluid auf das Diffusionsmedium abgegeben ist.
Verfahren nach Anspruch 79, wobei das Diffusionsmedium Kohlefaser, Kohlegewebe oder deren Kombinationen umfasst.
System zur Vorbereitung einer Membranelektrodenanordnung mit: einer ersten Beschichtungsstation, die eine erste Substrathaltevorrichtung und zumindest einen Beschichtungskopf zum Aufbringen einer Beschichtung auf eine erste Seite eines Substrates umfasst; einer ersten Trocknungsstation; einer zweiten Beschichtungsstation, die eine zweite Substrathaltevorrichtung und zumindest einen Beschichtungskopf zum Auftragen einer Beschichtung auf eine zweite Seite eines Substrats umfasst; einer zweiten Trocknungsstation; einer Schneidestation; und einer Transportvorrichtung, die derart ausgebildet ist, um das Substrat an jede Station zu transportieren.
System nach Anspruch 82, wobei die erste Substrathaltevorrichtung einen Vakuumtisch umfasst.
System nach Anspruch 82, wobei die erste Beschichtungsstation eine leitfähige Beschichtung auf der ersten Seite des Substrats bildet.
System nach Anspruch 82, wobei die zweite Substrathaltevorrichtung einen Vakuumtisch umfasst.
System nach Anspruch 82, wobei die zweite Beschichtungsstation eine leitfähige Beschichtung auf der zweiten Seite des Substrats bildet.
System nach Anspruch 82, wobei die erste Trocknungsstation eine Wärmequelle umfasst.
System nach Anspruch 87, wobei die Wärmequelle aus einer Infrarotwärmequelle, erhitzten Strahlen bzw. Gasströmen, einem Konvektionsofen und deren Kombinationen gewählt ist.
System nach Anspruch 82, wobei die zweite Trocknungsstation eine Wärmequelle umfasst.
System nach Anspruch 89, wobei die Wärmequelle aus einer Infrarotwärmequelle, erhitzten Strahlen bzw. Gasströmen, einem Konvektionsofen und deren Kombinationen gewählt ist.
System nach Anspruch 82, wobei die Schneidestation eine Matrizenschneidestation umfasst.
System nach Anspruch 82, wobei die Transportvorrichtung eine Zufuhrrolle umfasst.
System nach Anspruch 82, wobei das Substrat aus einem Zwischenmaterial, einem Elektrolytmaterial und einem Diffusionsmediummaterial gewählt ist.
System nach Anspruch 93, wobei das Zwischenmaterial aus Polyfluortetraethylen oder Ethylentetrafluorethylen gewählt ist.
System nach Anspruch 93, wobei die Elektrolytmembran perfluorierte Sulfonsäure oder deren Variationen umfasst.
System nach Anspruch 93, wobei das Diffusionsmedium Kohlefaser, Kohlegewebe oder deren Kombinationen umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Objekts mit einer Brennstoffzelle, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Brennstoffversorgungsverteiler vorgesehen wird; ein Oxidationsmittelversorgungsverteiler vorgesehen wird; eine Membranelektrodenanordnung dadurch vorbereitet wird, dass: ein katalytisches Fluid vorbereitet wird, das katalytische Fluid auf ein Zwischenmaterial unter Verwendung eines Direktschreibinstruments abgegeben wird, das derart vorprogrammiert worden ist, so dass das katalytische Fluid auf das Zwischenmaterial in einem Muster abgegeben wird, das eine katalytische Beschichtung auf dem Zwischenmaterial bildet, die katalytische Beschichtung von dem Zwischenmaterial auf eine erste Seite einer Elektrolytmembran übertragen wird; das katalytische Fluid auf ein Zwischenmaterial unter Verwendung eines Direktschreibinstruments abgegeben wird, das derart vorprogrammiert worden ist, so dass das katalytische Fluid auf das Zwischenmaterial in einem Muster abgegeben wird, das eine katalytische Beschichtung auf dem Zwischenmaterial bildet; und die katalytische Beschichtung von dem Zwischenmaterial auf eine zweite Seite der Elektrolytmembran übertragen wird; und die Membranelektrodenanordnung zwischen dem Brennstoffversorgungsverteiler und dem Oxidationsmittelversorgungsverteiler positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 97, wobei das Objekt ein Fahrzeug umfasst, das zumindest teilweise durch die Brennstoffzelle angetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 97, wobei das Objekt eine Energieversorgung umfasst, die zumindest teilweise durch die Brennstoffzelle betrieben wird.
Verfahren zur Herstellung eines Objekts mit einer Brennstoffzelle, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Brennstoffversorgungsverteiler vorgesehen wird; ein Oxidationsmittelversorgungsverteiler vorgesehen wird; eine Membranelektrodenanordnung dadurch vorbereitet wird, dass: ein katalytisches Fluid vorbereitet wird; das katalytische Fluid auf ein Elektrolytmaterial, das eine erste und eine zweite Seite umfasst, unter Verwendung eines Direktschreibinstrumentes abgegeben wird, das derart vorprogrammiert worden ist, so dass das katalytische Fluid auf das Elektrolytmaterial in einem Muster abgegeben wird, das eine katalytische Beschichtung auf der ersten Seite des Elektrolytmaterials bildet; und das katalytische Fluid auf das Elektrolytmaterial unter Verwendung eines Direktschreibinstruments abgegeben wird, das derart vorprogrammiert worden ist, so dass das katalytische Fluid auf das Elektrolytmaterial in einem Muster abgegeben wird, das eine katalytische Beschichtung auf der zweiten Seite des Elektrolytmaterials bildet; und die Membranelektrodenanordnung zwischen dem Brennstoffversorgungsverteiler und dem Oxidationsmittelversorgungsverteiler positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 100, wobei das Objekt ein Fahrzeug umfasst, das zumindest teilweise durch die Brennstoffzelle angetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 100, wobei das Objekt eine Energieversorgung umfasst, die zumindest teilweise durch die Brennstoffzelle betrieben wird.
Verfahren zur Herstellung eines Objekts mit einer Brennstoffzelle, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Brennstoffversorgungsverteiler vorgesehen wird; ein Oxidationsmittelversorgungsverteiler vorgesehen wird; ein katalytische Fluid auf ein Diffusionsmedium unter Verwendung eines Direktschreibinstruments abgegeben wird, das derart vorprogrammiert worden ist, so dass das katalytische Fluid auf das erste Diffusionsmedium in einem Muster abgegeben wird, das eine katalytische Beschichtung auf dem ersten Diffusionsmedium bildet; das erste Diffusionsmedium benachbart des ersten Verteilers angeordnet wird; das katalytische Fluid auf ein zweites Diffusionsmedium unter Verwendung eines Direktschreibinstruments abgegeben wird, das derart vorprogrammiert worden ist, so dass das katalytische Fluid auf das zweite Diffusionsmedium in einem Muster abgegeben wird, das eine katalytische Beschichtung auf dem zweiten Diffusionsmedium bildet; das zweite Diffusionsmedium benachbart des zweiten Verteilers angeordnet wird; und ein Elektrolytmaterial zwischen den ersten und zweiten Diffusionsmedien angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 103, wobei das Objekt ein Fahrzeug umfasst, das zumindest teilweise durch die Brennstoffzelle angetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 103, wobei das Objekt eine Energieversorgung umfasst, die zumindest teilweise durch die Brennstoffzelle betrieben wird.