DE112004001842T5

DE112004001842T5 - Verfahren zum Herstellen von Membranelektrodenanordnungen

Info

Publication number: DE112004001842T5
Application number: DE112004001842T
Authority: DE
Inventors: Susan G. Yan; Michael Scozzafava; Zhilei Wang (Julie)
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-10-06
Filing date: 2004-09-22
Publication date: 2006-08-10
Also published as: JP2007507849A; CN1864290A; WO2005038950A3; JP4510828B2; US20070227650A1; WO2005038950A2; CN1864290B; US20050072514A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Anordnung, die eine Elektrode umfasst, wobei das Verfahren umfasst, dass:
eine Aufschlämmung gebildet wird, die ein ionenleitendes Material, ein elektrisch leitendes Material, einen Katalysator und ein Gusslösemittel mit hohem Siedepunkt umfasst;
die Aufschlämmung auf ein nicht poröses Polymersubstrat aufgebracht wird, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Ethylentetrafluorethylen, Polyimid, Polytetrafluorethylen und Polyphenylsulfon, wobei das Substrat eine ausreichende bauliche Integrität besitzt, um eine Wiederverwendung zu erleichtern;
das Gusslösemittel mit hohem Siedepunkt entfernt wird, um einen Film auf dem Substrat zu bilden;
der Film mit einer Membran verbunden wird; und
das Substrat von dem Film getrennt wird, so dass das Substrat wieder verwendet werden kann.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft PEM/SPE-Brennstoffzellen und insbesondere ein Verfahren zum Herstellen von Elektroden und Membranelektrodenanordnungen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Elektrochemische Zellen sind für verschiedene Anwendungen und insbesondere beim Betrieb als Brennstoffzellen geeignet. Brennstoffzellen sind für viele Anwendungen einschließlich elektrischer Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Eine Brennstoffzellenkonstruktion verwendet eine Festpolymerelektrolyt-(SPE-)Membran oder Protonenaustauschmembran (PEM), um einen Ionentausch zwischen der Anode und der Kathode vorzusehen. Es können gasförmige und flüssige Brennstoffe in Brennstoffzellen verwendet werden. Beispiele umfassen Wasserstoff und Methanol, wobei Wasserstoff bevorzugt ist. Der Wasserstoff wird als Reduktionsmittel an die Anode der Brennstoffzelle geliefert. Sauerstoff (als Luft) ist ein Oxidationsmittel, das an die Kathode der Zelle geliefert wird. Die Elektroden sind aus porösen leitenden Elektrodenmaterialien hergestellt, die die elektrochemischen Reaktionen in der Zelle erleichtern. Ferner erleichtert ein elektrisch leitendes poröses Diffusionsmedium, wie beispielsweise Graphitgewebe, graphitisierte Schichten oder Kohlenstoffpapier, eine Dispersion der Reaktanden über die Oberfläche der Elektroden und daher über die zu der Elektrode weisenden Membran.
Wichtige Aspekte zur Verbesserung eines Brennstoffzellenbetriebs umfassen die Optimierung der Konstruktion: der Reaktionsflächen, an denen elektrochemische Reaktionen stattfinden, der Katalysatoren, die derartige Reaktionen katalysieren; der ionenleitenden Medien; und der Massentransportmedien. Die Kosten in Verbindung mit der Herstellung und dem Betrieb von Brennstoffzellen sind teilweise abhängig von den Kosten zur Herstellung von Elektroden und Membranelektrodenanordnungen (MEA) und deren Betriebswirkungsgrad. Die Kosten in Verbindung mit der Brennstoffzellenherstellung sind größer als bei konkurrierenden Energieerzeugungsalternativen, teilweise aufgrund der Kosten zur Herstellung derartiger Elektroden und MEAs.
Daher ist es erwünscht, die Herstellung derartiger Anordnungen zu verbessern, indem die Qualität wie auch die Kosten verbessert werden, um Brennstoffzellen zu einer attraktiveren Alternative zur Energieerzeugung wie auch für Beförderungsanwendungen zu machen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen, das zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung verwendbar ist. Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einer Anordnung, die eine Elektrode umfasst, umfasst, dass: eine Aufschlämmung gebildet wird, die ein ionenleitendes Material, ein elektrisch leitendes Material, einen Katalysator und ein Lösemittel zum Gießen mit hohem Siedepunkt umfasst; die Aufschlämmung auf ein nicht poröses Polymersubstrat aufgetragen wird, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Ethylentetrafluorethylen, Polyimid, Polytetrafluorethylen und Polyphenylsulfon, wobei das Substrat eine ausreichende bauliche Integrität besitzt, um eine Wieder verwendung zu erleichtern; das Gusslösemittel mit hohem Siedepunkt entfernt wird, um einen getrockneten Elektrodenfilm auf dem Substrat auszubilden; die getrocknete Elektrode mit einer Membran verbunden wird; und das Substrat von der Elektrode und der Membran getrennt wird, so dass das Substrat wieder verwendet werden kann.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer Anordnung, die eine Elektrode umfasst, umfasst, dass: eine Aufschlämmung gebildet wird, die ein ionenleitendes Material, ein elektrisch leitendes Material, einen Katalysator und ein Gusslösemittel umfasst. Die Aufschlämmung wird auf ein nicht poröses Polymersubstrat aufgetragen, das eine ausreichende bauliche Integrität aufweist, um eine Wiederverwendung zu erleichtern; das Lösemittel wird entfernt, um einen Katalysatorfilm auf dem Substrat zu bilden; die Abziehlage wird mit einer Membran verbunden, um die Membrananordnungselektrode zu bilden; und das Substrat wird von der MEA getrennt, so dass das Substrat wieder verwendet werden kann. Das Substrat wird dann mit einem Reinigungslösemittel gereinigt, um jeglichen restlichen Katalysator zu entfernen, der an dem Substrat nach dem Trennen verbleibt, um ein gereinigtes Substrat zu bilden. Das Auftragen der Aufschlämmung wird unter Verwendung des gereinigten Substrats wiederholt.
Eine andere alternative bevorzugte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung, die eine Elektrode umfasst, in einem kontinuierlich Prozess, umfassend, dass: ein kontinuierlicher Streifen eines nicht porösen Polymersubstrats entlang eines Zufuhrpfads bewegt wird und eine Aufschlämmung, die ein ionenleitendes Material, ein elektrisch leitendes Material, einen Katalysator und ein Lösemittel zum Gießen umfasst, an einer ersten Station entlang des Zufuhrpfades ausgebildet wird. Der kontinuierliche Streifen des nicht porösen Polymersubstrats wird zu der ersten Station vorgeschoben, an der die Aufschlämmung auf diskrete Gebiete auf einer Oberfläche des kontinuierlichen Streifens des nicht porösen Polymersubstrats aufgebracht wird. Die Aufschlämmung wird getrocknet, um eine getrocknete Katalysatorschicht an den diskreten Gebieten zu bilden; und der kontinuierliche Streifen wird vorgeschoben, um eine Membran benachbart einer jeweiligen der Abziehlagen an den diskreten Gebieten zu positionieren, an denen das Verbinden zumindest einer der Abziehlagen mit der Membran, um eine Elektrode zu bilden, stattfindet. Es folgt eine Entfernung der zumindest einen Abziehlage von dem kontinuierlichen Streifen des nicht porösen Polymersubstrats; und der kontinuierliche Streifen wird zu einer Reinigungsstation vorgeschoben, um die diskreten Gebiete der Oberfläche zu reinigen, an denen die Elektrode entfernt wurde; und der gereinigte kontinuierliche Streifen des Substrats wird zu der ersten Station vorgeschoben.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch spezifische Beispiele, während sie die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, wobei:
1 eine schematische Ansicht einer nicht zusammengebauten elektrochemischen Brennstoffzelle ist, die eine Membran elektrodenanordnung aufweist, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hergestellt ist;
2 eine Darstellung eines Schnitts einer Membranelektrodenanordnung ähnlich der ist, die in 1 gezeigt ist;
3 eine Darstellung ist, die eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der Kathodenseite der Membranelektrodenanordnung von 2 zeigt;
4 ein Flussschaubild ist, das einen bevorzugten Prozess gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 eine Darstellung ist, die die Elektrodenschicht auf dem nicht porösen Polymersubstrat während eines Schrittes des Prozesses von 4 zeigt;
6 eine Darstellung der Membranelektrodenanordnung ist, die die Anode, die Membran, die Kathode und die Substrattafeln bei einem Schritt des Prozesses von 4 zeigt;
7 eine Darstellung eines kontinuierlichen Prozesses und einer Vorrichtung zum Zusammenbau einer Membranelektrodenanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
8 einen Vergleich des Betriebsverhaltens einer Membranelektrodenanordnung, die unter Verwendung eines porösen Polymerabziehlagensubstrats hergestellt ist, gegenüber einer Membranelektrodenanordnung zeigt, die unter Verwendung eines nicht porösen Polymerabziehlagensubstrats bei niedrigem Druck hergestellt wurde; und
9 einen Vergleich des Betriebsverhaltens einer Membranelektrodenanordnung, die unter Verwendung eines porösen polymeren Abziehlagensubstrats hergestellt wurde, gegenüber einer Membranelektrodenanordnung zeigt, die unter Verwendung eines nicht porösen polymeren Abziehlagensubstrats bei hohem Druck hergestellt wurde.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken. Beispielsweise ist, obwohl die Erfindung hier unter Bezugnahme auf eine Brennstoffzelle beschrieben ist, diese auf elektrochemische Zellen allgemein anwendbar.
Die vorliegende Erfindung betrifft das Ausbilden von Elektroden und Membranelektrodenanordnungen zur Verwendung in Brennstoffzellen. Vor einer detaillierten Beschreibung der Erfindung ist es nützlich, die Grundelemente einer Brennstoffzelle und der Komponenten der Membranelektrodenanordnung zu verstehen. In 1 ist eine elektrochemische Zelle 10 mit einer darin enthaltenen Membranelektrodenanordnung 12 in einer nicht zusammengebauten Form gezeigt. Die gezeigte elektrochemische Zelle 10 ist als eine Brennstoffzelle aufgebaut. Die elektrochemische Zelle 10 umfasst aus rostfreiem Stahl oder Aluminium bestehende Endplatten 14, 16, bipolare Gasdiffusionsmedien oder Platten 18, 20 mit einer Vielzahl von Kanälen 22, 24, um eine Gasverteilung zu erleichtern, Dichtun gen 26, 28, leitende Stromkollektorgasdiffusionsmedien 30, 32 mit jeweiligen Verbindungen 31, 33 und die Membranelektrodenanordnung 12 (die einen Festpolymerelektrolyt (SPE) oder eine Protonenaustauschmembran (PEM) umfasst). Die beiden Sätze der bipolaren Platten, Dichtungen und leitenden Stromkollektoren, nämlich 18, 26, 30 und 20, 28, 32, werden jeweils als jeweilige Gas- und Stromtransportmittel 36, 38 bezeichnet. Eine Anodenverbindung 31 und eine Kathodenverbindung 33 werden zur Verbindung mit einer externen Schaltung verwendet, die andere Brennstoffzellen umfassen kann.
Die gasförmigen Reaktanden werden in die elektrochemische Brennstoffzelle 10 eingeführt, von denen einer ein Brennstoff ist, der von einer Brennstoffquelle 37 geliefert wird, und der andere ein Oxidationsmittel ist, das von der Quelle 39 geliefert wird. Die Gase von den Quellen 37, 39 diffundieren durch jeweilige Gas- und Stromtransportmittel 36 und 38 an gegenüberliegende Seiten einer Membranelektrodenanordnung (MEA) 12. Wie für Fachleute angemerkt sei, kann die elektrochemische Brennstoffzelle 10 mit anderen ähnlich aufgebauten Brennstoffzellen kombiniert werden, um einen Mehrfach-Brennstoffzellenstapel zu bilden.
Wie in 2 gezeigt ist, wird die MEA 12 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt und umfasst poröse Elektroden 40, die eine Anode 42 an der Brennstoffseite und eine Kathode 44 an der Sauerstoffseite bilden. Die Anode 42 ist von der Kathode 44 durch eine Festpolymerelektrolyt-(SPE)-Membran 46 getrennt. Die Membran 46 sorgt für einen Ionentransport, um Reaktionen in der Brennstoffzelle 10 zu erleichtern, und ist in der Technik gut als ein ionenleitendes Material bekannt. Die Elektroden 42, 44 sehen eine Protonenübertragung durch engen Kontakt zwischen der Elektrode 42, 44 und der Ionomermembran 46 vor, um einen im Wesentlichen kontinuierlichen Poly merkontakt für eine derartige Protonenübertragung vorzusehen. Demgemäß besitzt die MEA 12 eine Membran 46 mit voneinander beabstandeten ersten und zweiten gegenüberliegenden Flächen 50, 52 und einer Dicke oder einem dazwischen befindlichen Membrangebiet 53 zwischen den Flächen 50, 52. Die jeweiligen Elektroden 40, nämlich die Anode 42 und die Kathode 44, sind gut an der Membran 46 an einer entsprechenden der Flächen 50 bzw. 52 angehaftet.
Die Festpolymerelektrolytmembrane 46 oder -tafeln sind Ionentauscherharzmembrane. Die Harze umfassen Ionengruppen in ihrer Polymerstruktur, wobei eine Ionenkomponente davon durch die Polymermatrix fixiert oder gehalten ist und zumindest eine andere Ionenkomponente ein mobiles austauschbares Ion ist, das elektrostatisch mit der fixierten Komponente in Verbindung steht. Die Fähigkeit des mobilen Ions, unter geeigneten Bedingungen gegen andere Ionen ausgetauscht werden zu können, verleiht diesen Materialien Ionentauschereigenschaften.
Die Ionentauscherharze können durch Polymerisation einer Mischung aus Bestandteilen hergestellt werden, von denen einer einen Ionenbestandteil umfasst. Eine breite Klasse von protonenleitenden Kationentauscherharzen ist das so genannte Sulfonsäurekationentauscherharz. In den Sulfonsäuremembranen sind die Kationen-Ionentauschergruppen hydrierte Sulfonsäureradikale, die an der Polymerhauptkette durch Sulfonierung angebracht sind. Die Ausbildung dieser Ionentauscherharze in Membrane oder Tafeln ist in der Technik ebenfalls gut bekannt. Der bevorzugte Typ ist ein Elektrolyt aus perfluoriertem Sulfonsäurepolymer, bei dem die gesamte Membranstruktur Ionentauschereigenschaften besitzt. Diese Membrane sind kommerziell erhältlich, und ein typisches Beispiel einer kommerziellen protonenleitenden Membran aus sulfoniertem Perfluorkohlenstoff wird von E.I. DuPont de Nemours 8s Co. unter der Handelsbe zeichnung Nafion^® vertrieben. Andere werden von Asahi Glass und Asahi Chemical Company vertrieben.
In elektrochemischen Brennstoffzellen 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Membran 46, die als eine Protonenaustauschmembran (PEM) bekannt ist, eine kationendurchlässige, protonenleitende Membran mit H⁺-Ionen als dem mobilen Ion. Das Brennstoffgas ist Wasserstoff und das Oxidationsmittel ist Sauerstoff oder Luft. Die Gesamtzellenreaktion ist die Oxidation von Wasserstoff, um Wasser zu bilden, und die jeweiligen Reaktionen an der Anode 42 und der Kathode 44 sind wie folgt: H₂ → 2H⁺ + 2e^– ½O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂
Typischerweise wird das Produktwasser an der Kathode 44 erzeugt und abgewiesen, an der das Wasser typischerweise durch einfache Strömung oder durch Verdampfung entweicht. Jedoch können gegebenenfalls Mittel vorgesehen sein, um das Wasser zu sammeln, wenn es gebildet wird, und um es von der Brennstoffzelle 10 wegzuführen. Ein gutes Wassermanagement in der Zelle 10 erlaubt einen erfolgreichen Langzeitbetrieb der elektrochemischen Brennstoffzelle 10. Räumliche Variationen des Wassergehalts in der Membran 46 einer stromführenden Brennstoffzelle 10 resultieren aus der elektroosmotischen Mitnahme von Wasser mit dem Protonen-(H⁺)-Transport von der Anode 42 zu der Kathode 44, der Erzeugung von Wasser durch die Sauerstoffreduktionsreaktion an der Kathode 44, aus Befeuchtungsbedingungen des Einlassgasstromes wie auch einer "Rückdiffusion" von Wasser von der Kathode 44 zu der Anode 42. Wassermanagementtechniken und Zellenkonstruktionen, die damit in Verbindung stehen, sind in den U.S. Patenten Nrn. 5,272,017 und 5,316,871 beschrieben, die jeweils hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen sind. Obwohl das Wassermanagement einen wichtigen Aspekt für den Betrieb der Brennstoffzelle 10 darstellt, ist eine gute Verteilung und Bewegung des Brennstoffs und des Oxidationsmittels durch die Elektroden 40 gleichermaßen wichtig. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es wichtig, eine Elektrode 40 mit einer relativ homogenen porösen Struktur zu haben, die eine gute bauliche Integrität besitzt.
Katalysatorfilme werden aus einer oder mehreren getrockneten Schicht(en) einer Katalysatoraufschlämmung gebildet, wie nachfolgend beschrieben ist. Beispielhafte Komponenten der MEA 12, die durch Aufschlämmungsguss gebildet werden, sind in dem U.S. Patent Nr. 6,524,736 beschrieben, das hier durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit eingeschlossen ist. Der Katalysatorfilm umfasst Kohlenstoff und Katalysator mit einer Verteilung und mit Beladungen gemäß den Anforderungen der Wasserstoffoxidations- und Sauerstoffreduktionsreaktionen, die in der Brennstoffzelle stattfinden. Zusätzlich wird durch das Einbetten der Elektroden 40 in die Membran 46 ein effektiver Protonentransfer vorgesehen. Demgemäß besitzt die Membranelektrodenanordnung 12 der Zelle 10 eine Membran 46 mit beabstandeten ersten und zweiten gegenüberliegenden Flächen 50, 52 und eine Dicke oder ein dazwischen befindliches Membrangebiet 53 zwischen den Flächen 50, 52. Jeweilige Elektroden 40, nämlich die Anode 42 und die Kathode 44, sind gut an der Membran 46 an einer entsprechenden der Flächen 50, 52 angehaftet. Die gute Porosität und bauliche Integrität der Elektroden 40 erleichtert die Ausbildung der Membranelektrodenanordnung 12.
Wie in 3 gezeigt ist, ist jede der Elektroden 40 aus einer entsprechenden Gruppe fein geteilter Kohlenstoffpartikel 60, die sehr fein geteilte katalytische Partikel 42 tragen, und einem protonenleitenden Material 64 gebildet, das mit den Partikeln vermischt ist. Es sei angemerkt, dass die Kohlenstoffpartikel 60, die die Anode 42 bilden, sich von den Kohlenstoffpartikeln 60, die die Kathode 44 bilden, unterscheiden können. Zusätzlich kann sich die Katalysatorbeladung an der Anode 42 von der Katalysatorbeladung an der Kathode 44 unterschieden. Obwohl sich die Eigenschaften der Kohlenstoffpartikel und der Katalysatorbeladung für die Anode 42 und die Kathode 44 unterscheiden können, ist der Grundaufbau der beiden Elektroden 40 ansonsten allgemein ähnlich, wie in dem vergrößerten Teil von 3, das aus 2 entnommen ist, gezeigt ist.
Um einen kontinuierlichen Pfad zur Leitung von H⁺-Ionen an den Katalysator 62 zur Reaktion vorzusehen, ist das protonen-(kationen-) leitende Material 64 über jede der Elektroden 40 verteilt und mit den Kohlenstoffpartikeln und katalytischen Partikeln 60, 62 vermischt und in einer Vielzahl der durch die katalytischen Partikel definierten Poren angeordnet. Demgemäß kann in 3 gesehen werden, dass das protonenleitende Material 64 Kohlenstoffpartikel und katalytische Partikel 60, 62 umschließt.
Die Kohlenstoffpartikel definieren Poren, von denen einige Innenporen in der Form von Löchern in den Kohlenstoffpartikeln 60 sind und andere Poren Spalte zwischen benachbarten Kohlenstoffpartikeln sind. Innenporen werden auch als Mikroporen bezeichnet, die allgemein einen Äquivalenzradius (Größe) von weniger als etwa 2 Nanometer (nm) oder 20 Angström besitzen. Der Begriff "etwa", wenn er auf Werte angewendet ist, gibt an, dass die Berechnung oder die Messung eine gewisse geringfügige Ungenauigkeit des Werts zulässt (mit einer gewissen Annäherung an eine Exaktheit des Wertes; ungefähr oder vernünftig eng an dem Wert; nahezu). Wenn aus irgendeinem Grund die Ungenauigkeit, die durch "etwa" vorgesehen wird, in der Technik mit dieser üblichen Bedeutung ansonsten nicht verständlich ist, dann gibt "etwa", wie hier verwendet ist, eine mögli che Variation von bis zu 5 % des Wertes an. Externe Poren werden als Mesoporen bezeichnet, die allgemein einen Äquivalenzradius (Größe) von über etwa 2 Nanometer und bis zu etwa 20 Nanometer oder 200 Angström besitzen. Die Gesamtoberfläche, die in einer Masse aus Kohlenstoffpartikeln vorhanden ist, wird als eine BET-Oberfläche bezeichnet, die in m²/g ausgedrückt wird. Die BET-Oberfläche berücksichtigt sowohl Mesoporen als auch Mikroporen, die in der Masse vorhanden sind. Die hier verwendeten Begriffe "Pore" und "Poren" betreffen sowohl Mesoporen als auch Mikroporen und betreffen auch sowohl Innen- als auch Außenporen, sofern es nicht anderweitig angegeben ist.
Die Membranelektrodenanordnung 12 besitzt eine effiziente Gasbewegung und -verteilung, um einen Kontakt zwischen den Reaktanden, d.h. Brennstoff und Oxidationsmittel, und dem Katalysator zu maximieren. Dies erfolgt in einer porösen, mit Katalysator versehenen Schicht, die die Elektroden 40 bildet und Partikel aus Katalysatoren 62, Partikel aus elektrisch leitendem Material 60 und Partikel aus ionenleitendem Material 64 umfasst. Die drei Kriterien, die ein gutes Betriebsverhalten der Elektrode 40 kennzeichnen, sind ein Gaszugang zu der Katalysatorschicht, eine elektrische Leitfähigkeit wie auch ein Protonenzugang zu dem Ionomer. Ein typisches Ionomer, das das ionenleitende Material 64 bildet, ist ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer, wie beispielsweise dem Nafion^®, das auch die Membran 46 bildet.
Wie in 4 gezeigt ist, umfasst ein bevorzugter Prozess gemäß der vorliegenden Erfindung die Herstellung der Katalysatoraufschlämmung, wie mit 100 gezeigt ist. Die Katalysatoraufschlämmung wird oftmals als eine "Tinte" bezeichnet, und die Begriffe werden hier gegenseitig austauschbar verwendet. Der Begriff "Mischung", der hier verwendet ist, betrifft eine Kombination aus Substanzen, die vermischt worden sind, und die dazu bestimmt ist, entweder eine Mischung, eine Aufschlämmung oder eine Lösung abzudecken. Der Begriff "Aufschlämmung" betrifft eine Mischung, bei der einiges suspendiertes und nicht gelöstes Material in einer kontinuierlichen Fluidphase, gewöhnlich einer flüssigen Phase, vorhanden ist, und die Flüssigkeit in der flüssigen Phase allgemein ein Lösemittel ist. Der Begriff "Lösung" betrifft eine Mischung, bei der ein gelöster Stoff in einem Lösemittel gelöst ist, wodurch eine einzelne Phase gebildet wird, die zwei oder mehr verschiedene Substanzen enthält. Die Katalysatoraufschlämmung; wird anfänglich als eine Lösung eines protonenleitenden Polymers, hier bezeichnet als ein Ionomer (beispielsweise Nafion^®), mit suspendierten Partikeln aus elektrisch leitendem Material, typischerweise Kohlenstoff, und Partikeln aus Katalysator hergestellt.
Das elektrisch leitende Material, beispielsweise Kohlenstoff, ist typischerweise der Träger für den Katalysator, der typischerweise ein Metall ist. Somit besteht die Dispersion der Katalysatorschicht aus einer Mischung des Edelmetallkatalysators, der auf einem Kohlenstoff mit hoher Oberfläche getragen ist, wie beispielsweise Vulcan XC-72, und einer Ionomerlösung, wie beispielsweise Nafion^® (DuPont Fluoroproducts, NC) in einem Lösemittel. Bevorzugte Katalysatoren umfassen Metalle, wie beispielsweise Platin (Pt), Palladium (Pd); und Mischungen aus Metallen Pt und Molybdän (Mo), Pt und Kobalt (Co), Pt und Ruthenium (Ru), Pt und Nickel (Ni) und Pt und Zinn (Sn). Das Ionomer wird typischerweise als eine Lösung in einem Lösemittel nach Wahl und mit der gewünschten Anfangskonzentration gekauft, und es wird zusätzliches Lösemittel zugesetzt, um die Ionomerkonzentration auf eine gewünschte Konzentration in der Aufschlämmung; einzustellen. Die Aufschlämmung enthält optional Polytetrafluorethylen. Der Katalysator und der Katalysatorträger werden in der Aufschlämmung durch Techniken dispergiert, wie beispielsweise Ultraschallbehandlung oder Kugelmahlen. Die durchschnittliche Agglomeratgröße in einer typischen Aufschlämmung liegt im Bereich von 50 bis 500 nm. Eine geringfügige Abweichung des Betriebsverhaltens tritt mit Aufschlämmungen, die durch andere Dispersionstechniken hergestellt werden, aufgrund der Verschiedenheit in dem Bereich von hergestellten Partikelgrößen auf.
Die Ausbildung der Katalysatoraufschlämmung umfasst beispielsweise 1 Gramm von 5 bis 80 Gew.-% katalytisch aktiven Material auf Kohlenstoff, beispielsweise Pt auf Kohlenstoff, und in der Größenordnung von 8 Gramm von 1 bis 30 Gew.-% Ionomer in Lösung mit einem Lösemittel. Die Katalysatorbeladung, Gew.-% auf Kohlenstoff, ist gemäß dem Bedarf und den Anforderungen einer spezifischen Anwendung gewählt. Das Gewichtsverhältnis von Ionomer zu Kohlenstoff liegt bevorzugt im Bereich von 0,20:1 bis 2,0:1 mit einem bevorzugteren Bereich von 0,25:1 bis 1,5:1.
In der Aufschlämmung ist das Verhältnis von Feststoffen zu Flüssigkeiten bevorzugt im Bereich von 0,15:1 bis 0,35:1, d.h. 13 Gew.-% bis 27 Gew.-% Feststoffe in der Aufschlämmung. Ein bevorzugterer Bereich beträgt 0,2:1 bis 0,3:1 oder 16 bis 23 Gew.-% Feststoffe in der Aufschlämmung. Für die gegebenen Spezifikationen macht das Gusslösemittel bis zu etwa 80 % des Aufschlämmungsgewichtes aus, und der Katalysator, das Ionomer und der Kohlenstoff machen die restlichen 20 % aus. Verfügbare Lösemittel zum Gießen, die in der Aufschlämmung für nicht poröse Polymersubstrate gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, umfassen Lösemittel mit sowohl niedrigem als auch hohem Siedepunkt.
Wie hier beschrieben ist, weisen "Lösemittel mit niedrigem Siedepunkt" typischerweise einen Siedepunkt unter etwa 100°C bei atmosphärischem Druck (bevorzugt bei etwa Raumtemperatur, beispielsweise 25–30°C) auf, und "Lösemittel mit hohem Siedepunkt" besitzen einen Siedepunkt von über etwa 100°C oder größer, bevorzugt zwischen etwa 100°C und etwa 200°C. Geeignete Lösemittel mit niedrigem Lösepunkt umfassen beispielsweise organische Lösemittel mit relativ niedrigem Siedepunkt, wie Alkohole, einschließlich Isopropanol, Propanol, Ethanol, Methanol und Mischungen derselben. Die bevorzugtesten Lösemittel zum Gießen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen organische Lösemittel mit hohem Siedepunkt. Verwendbare Alkohole umfassen beispielsweise n-Butanol, 2-Pentanol, 2-Octanol und Mischungen derselben, wobei n-Butanol besonders bevorzugt ist. Andere organische Lösemittel mit relativ hohem Siedepunkt, die mit der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, umfassen beispielsweise Butylacetat. Ferner kann, wie für Fachleute angemerkt sein, das Lösemittel zum Gießen Wasser oder Wasser in Mischung mit einem der hydrophilen Lösemittel mit niedrigem oder hohem Siedepunkt in verschiedenen Konzentrationen umfassen, um ein Lösemittel zu erzeugen, das einen gewünschten Siedepunkt für die betreffende Anwendung aufweist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet ein Lösemittel zum Gießen mit hohem Siedepunkt in der Aufschlämmung, die über ein Substrat ausgebreitet wird. Das Substrat ist bei einer derartigen Ausführungsform bevorzugt ein nicht poröses Polymersubstrat. Es ist beobachtet worden, dass eine Aufschlämmung, die ein Lösemittel mit hohem Siedepunkt aufweist, die Qualität des auf dem Substrat ausgebildeten Katalysatorfilms im Vergleich zu Gusslösemitteln mit relativ niedrigem Siedepunkt steigert. Ohne sich auf die Grundsätze, durch die die vorliegende Erfindung arbeitet, einzuschränken, wird angenommen, dass, da die Lösemittel mit höherem Siedepunkt mit einer besser gesteuerten und langsameren Rate verdampft werden, das Ergebnis eine gleichförmigere Trocknung der beschichteten Aufschlämmung auf dem Substrat ist, wodurch eine gesteigerte physikalische Integrität in der resultierenden Abziehlage vorgesehen wird. Typischerweise wird eine derartige Verdamp fung durch Behandlung mit Wärme (und optional Vakuum) erleichtert. Abziehlagen, die gemäß bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, wobei das Gusslösemittel ein Lösemittel mit hohem Siedepunkt ist, weisen kein Reißen oder Abblättern der Abziehlage von dem Substrat auf. Die nicht porösen Polymersubstrate gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen eine hohe Verträglichkeit mit derartigen Lösemitteln mit hohem Siedepunkt, die in der Aufschlämmung verwendet werden, und resultieren in einem getrockneten Film mit höherer Qualität. Ferner sind Lösemittel mit hohem Siedepunkt allgemein sicherer bei der Handhabung und umweltfreundlicher aufgrund der geringeren Flüchtigkeit.
Der anschließende Prozess betrifft ein Beschichten der Katalysatoraufschlämmung auf eine Oberfläche eines Substrats, die eine ausreichende bauliche Integrität besitzt, um wieder verwendbar zu sein, wie mit 102 gezeigt ist. Wenn ein poröses Substrat verwendet wird, wird das Lösemittel und das Ionomer in dem Aufschlammungsmaterial oftmals in die Poren des Substrats absorbiert. Eine derartige Absorption resultiert in einem Gesamtverlust von Ionomer von der Abziehlage. Wie für Fachleute angemerkt sei, ist bei der Verwendung eines porösen Substratmaterials stets ein gewisser Verlust der Katalysatorschicht (beispielsweise Aufschlämmung) in die Poren typischerweise im Bereich von 15–25 % vorhanden. Somit kann ein poröses Substrat eine Katalysatortintenaufschlämmung in nicht vorhersagbaren Mengen absorbieren und entfernen. Daher wird eine Modifikation der Katalysatorzusammensetzung, um Leistungscharakteristiken zu optimieren, wenn nicht poröse Substrate verwendet werden, aufgrund einer Minimierung von Materialverlust und besser vorhersagbare und reproduzierbaren Ergebnissen leichter erreicht. Oftmals wird zur Kompensation des Ionomerverlustes bei Verwendung eines porösen Substrats eine zusätzliche Lage aus Ionomer auf die Abziehlage nach dem Trocken gesprüht, um verlorenes Ionomer zu kompensieren. Die zugesetzte Ionomerschicht wird beim Heißpressen in die Abziehlage gepresst und kompensiert den Ionomerverlust. Wie beschrieben ist, beseitigen nicht poröse Substratmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen den Ionomerverlust über Absorption in das Substrat, wodurch der Bedarf nach einem Zusatz zusätzlicher Ionomerschichten im Wesentlichen beseitigt wird. Die vorliegende Erfindung kann eine kosteneffektivere Verarbeitung vorsehen, indem ein Verlust an Ionomer und zusätzliche Bearbeitungsschritte vermieden werden.
Wie für Fachleute angemerkt sei, besitzt ein nicht poröses Polymersubstrat eine vernachlässigbare Porosität, das im Wesentlichen frei von Poren ist. Die Porosität eines Materials wird bevorzugt durch eine berechnete Gewichtsdifferenz gemessen, die die Menge an Aufschlämmung misst, die in dem Substrat absorbiert ist. Die Gewichtsdifferenz wird durch Messen eines ersten Gewichts des nicht porösen Substrats vor dem Aufbringen der Aufschlämmung auf das Substrat und Messen eines zweiten Gewichts des Substrats berechnet, nachdem der Film getrocknet worden ist; über Heißpressen an die Membran übertragen worden ist; und anschließend das Substrat abgezogen worden ist. Das erste Gewicht wird von dem zweiten Gewicht subtrahiert, und anschließend wird der Prozentsatz der Gewichtsdifferenz von dem ersten Gewicht berechnet. Ein nicht poröses Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt bevorzugt ein prozentuale Gewichtsdifferenz von weniger oder gleich 3 % des ersten Gewichts (bevorzugt im Bereich zwischen 0 und 3 %), was angibt, dass nur eine kleine Menge an Katalysator an dem Substrat verblieben ist.
Verfahren zum Herstellen von Elektrodenanordnungen unter Verwendung nicht poröser dünner Metalltafelsubstrate sind in der gemeinsam auf die Anmelderin übertragenen und in deren Eigentum befindlichen US- Patentanmeldung Nr. 10/171,295 offenbart, die am 13. Juni 2002 eingereicht wurde, wobei jedoch bei bestimmten Anwendungen ein derartiges Metallsubstrat einem Verbiegen und einer Faltenbildung bei der Bearbeitung ausgesetzt sein kann. Die Metalltafelsubstrate können permanent verformt werden, was in Falten und möglicherweise scharfen Vorsprüngen resultiert, die dünne Membrane oder Elektroden möglicherweise beschädigen könnten. Eine elastische Verformung betrifft allgemein eine nicht permanente Verformung (d.h. wird bei einem Entlasten einer aufgebrachten Spannung vollständig rückverformt). Eine plastische Verformung ist eine permanente oder nicht rückverformbare Verformung, die nach der Freigabe einer angelegten Last auftritt. Bei Anwendungen, bei denen die Möglichkeit besteht, dass eine Faltenbildung oder ein Verbiegen auftreten kann, ist das nicht poröse Substrat so gewählt, dass es elastische Verformungseigenschaften (d.h. Elastizität) besitzt, so dass bei der Bearbeitung keine signifikanten Verformungen auftreten, die den Katalysatorfilm (d.h. die Elektrode) und/oder die Membran beeinflussen können. Die nicht porösen Polymersubstrate, die oben beschrieben sind, besitzen diese vorteilhaften elastischen Verformungseigenschaften. Ferner können elastische nicht poröse Polymersubstrate eine physikalische Verwindung oder verformende Dehnung des Substrats bei einem Trenn- oder Abziehschritt verhindern, bei dem der Katalysatorfilm von dem Substrat entfernt wird. Diese nützlichen elastischen Eigenschaften des nicht porösen Polymermaterials erleichtern eine Wiederverwendung des Substrats für nachfolgende Abziehlagenanwendungen.
Zusätzlich zu den Eigenschaften der flexiblen oder nachgiebigen elastischen Verformung ist es auch erwünscht, dass das nicht poröse Polymersubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung die folgenden Eigenschaften besitzt: eine chemische Beständigkeit, eine minimale Temperaturbeständigkeit von zumindest etwa 160°C und Oberflächenenergien von etwa 18 bis etwa 41 Dyn/cm. Ein Oberflächenenergiewert, der zu hoch ist, kann eine Übertragung des Katalysatorfilms an die Membran ver- oder behindern, und einer, der zu niedrig ist, resultiert in einer schlechten Beschichtung auf dem Substrat. Bei einem anderen Aspekt ist es bevorzugt, ein transparentes nicht poröses Polymersubstrat zu haben. Die Transparenz des Substrats erleichtert eine visuelle Ausrichtung der Abziehlage mit der Membran und anderen entgegengesetzten Abziehlagen während der nachfolgenden Bearbeitung. Die Dicke des nicht porösen Polymersubstrats liegt bevorzugt zwischen etwa 12 bis etwa 250 μm (von etwa 0,75 bis etwa 10 mil), wobei bevorzugte Dicken im Bereich von etwa 12 bis etwa 75 μm (von etwa 0,5 bis etwa 10 mil) liegen. Für die Handhabung und Bearbeitung ist es auch bevorzugt, dass die Abmessungen des Substrats größer als die Fläche der Membran bei der Bearbeitung sind. Beispiele geeigneter nicht poröser Polymersubstrate gemäß der vorliegenden Erfindung können umfassen: thermoplastische Polymere, wie Polyimid, Polyphenylsulfon und Polytetrafluorethylen (PTFE). Ein bevorzugtestes nicht poröses Polymersubstrat ist Ethyltetrafluorethylen (ETFE), das eine Oberflächenenergie zwischen etwa 25 bis 28 Dyn/cm, eine Temperaturbeständigkeit bis zu etwa 230°C und einen hohen Grad an Transparenz besitzt.
Die vorbereitete Katalysatoraufschlämmung wird auf das nicht poröse Polymersubstrat 72 (5) gemäß dem Schritt 102 (4) aufgebracht oder beschichtet. Beispielsweise wird die Katalysatoraufschlämmung auf ein diskretes Gebiet einer Oberfläche 73 des Substrats 72 in ein oder mehreren Schichten ausgebreitet und dann bei 104 getrocknet, wobei das Gusslösemittel im Wesentlichen entfernt wird, um eine Abziehlage 70 mit einer vorgewählten Konzentration an Katalysator zu bilden. Die Katalysatoraufschlämmung wird auf das Substrat 72 durch eine beliebige Beschichtungstechnik aufgebracht, wie beispielsweise durch Druckprozesse oder Sprühbeschichtungsprozesse. Bevorzugte Prozesse sind Siebdruck oder Mayer-Rod-Beschichtung. Die Mayer-Rod-Beschichtung, die auch als Beschichtung mit einer Dosierstange bekannt ist, ist in der Technik für Siebdruck- und Beschichtungsprozesse gut bekannt. Beschichtungen mit Dicken im Bereich von 3 bis 25 μm oder höher, werden auf dem Substrat durch die Mayer-Rod-Beschichtung leicht erhalten und getrocknet. Ein vergrößerter Querschnitt einer getrockneten Katalysatorschichtabziehlage 70 ist an dem Substrat 72 in 5 gezeigt.
Immer noch in Bezug auf 4 wird die Katalysatorschicht 70 getrocknet, wie bei 104 gezeigt ist. Die Schicht 70 trocknet durch Verdampfung des Lösemittels (d.h. eines Gusslösemittels mit hohem Siedepunkt) aus der abgeschiedenen Katalysatoraufschlämmung. Abhängig von dem Gusslösemittel (oder Mischungen von Gusslösemitteln), die in der Aufschlämmung enthalten sind, wird die aufgebrachte Aufschlämmung durch Entfernung von Lösemittel bei Temperaturen getrocknet, die im Bereich von über 25°C (Raumtemperatur) bis unter etwa 200°C liegen (wobei der Druck 101,3 kPa (1 atm) ist). Die Verdampfung des Gusslösemittels mit hohem Siedepunkt erfolgt bevorzugt in dem bevorzugten Temperaturbereich von 80°C bis 200°C durch Aufbringen von Wärme und/oder Vakuum. Derartige Verfahren zum Trocknen sind in der Technik gut bekannt und können eine Wärmeaufbringung beispielsweise durch einen Ofen oder Infrarotlampen umfassen. Wie vorher beschrieben wurde, erlaubt die Verwendung eines Gusslösemittels mit höherem Siedepunkt langsamere, besser gesteuerte Trocknungsraten, was die bauliche Integrität der Abziehlage 70 steigert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Trocknen alternativ in zwei Schritten ausgeführt. Unmittelbar bei Beschichtung wird die Abziehlage 70 bei etwa Raumtemperatur für eine gewisse Zeitdauer getrocknet. Typischerweise liegt diese anfängliche Trocknungszeit zwischen etwa 1 bis 3 Minuten. Anschließend kann dann die Abziehlage 70 unter Infrarotlampen oder in einem Ofen getrocknet werden, bis schließlich das gesamte Lösemittel beseitigt worden ist. Nach dem Trocknungsschritt 104 werden die Abziehlagen 70 gewogen, um den Feststoffgehalt zu bestimmen. Dann wird eine homogene Katalysatorschichtabziehlage 70, wie in 5 gezeigt ist, an eine Oberfläche 73 des Substrats 72 nach dem Trocknungsschritt 104 übertragen.
Wie in 4 mit 106 gezeigt ist, werden die Katalysatorschichten 70 anschließend mit der Membran 46 beispielsweise durch Heißpressen bei oder oberhalb der Glasübergangstemperatur für das Ionomer unter erhöhten Drücken, jedoch unterhalb der Glasübergangstemperatur für das nicht poröse Polymersubstrat verbunden (d.h. unterhalb der minimalen Temperatur, bei der das Polymersubstrat physikalisch deformiert wird). Bei dieser Temperatur, die allgemein im Bereich von etwa 70°C bis 160°C bei atmosphärischem Druck liegt, beginnt das Ionomer (beispielsweise Nafion) zu fließen, und verteilt sich aufgrund des Drucks gut über die poröse Struktur, die ausgebildet ist, und sieht eine zufrieden stellende Schnittstelle zwischen dem Ionomer der Membran 46 und dem Ionomer 64 der Katalysatorschicht 70 vor. Somit wird durch Bearbeitung in der Nähe oder oberhalb der Ionomerglasübergangstemperatur eine gute Verbindung zwischen der Elektrode 70 und der Membran 46 gebildet.
Wie in 6 gezeigt ist, ordnet der Prozess bevorzugt ein nicht poröses Polymersubstrat 72 mit einer getrockneten Anodenschicht 42 aus Katalysator 70 auf einer Seite 80 der Membran 46 und ein zweites nicht poröses Polymersubstrat 78 mit einer getrockneten Kathodenschicht 44 aus Katalysator 70 auf der entgegengesetzten Seite 82 der Membran 46 an. Somit bringt bei einer Ausführungsform das Heißpressen bevorzugt beide einzelnen getrockneten Katalysatorelektrodenschichten 42, 44 simultan an einer ersten und zweiten Seite 80 bzw. 82 der Membran 46 an. Diese wird typischerweise als eine Abziehlagenübertragung bezeichnet, da der Über tragungsprozess ein Aufbringen der getrockneten Katalysatorschicht 70, d.h. des Elektrodenfilms 40 auf eine Membran 46 betrifft. Alternativ dazu kann jede Abziehlage 70 mit der Membran 46 nacheinander verbunden werden, wodurch eine Anordnung mit einer Elektrode 40 gebildet wird.
Das bzw. die Substrat(e) 72, 78 werden dann von der getrockneten Katalysatorschicht 42, 44 getrennt oder abgelöst, wie bei 108 gezeigt ist, wodurch eine geformte Membranelektrodenanordnung 12 zurückbleibt, wie beispielsweise eine derjenigen, die in 2 gezeigt sind. Die Substrate 72, 78 können eine Zeitdauer nach dem Heißpressen entfernt werden. Die Substrate 72, 78 können einfach entfernt oder getrennt werden, nachdem zugelassen wurde, dass die Substrate 72, 78 geringfügig abkühlen. Die Substrate 72, 78 besitzen bevorzugt eine relativ niedrige Adhäsion an der Elektrode 40, 70 auf Grundlage der vorher beschriebenen Oberflächenenergie. Dieses geringe Haftvermögen stellt eine Bindung der Elektrode 40, 70 mit der Membran 46 sicher, so dass die Substrate 72, 78 nicht die Integrität der Schnittstelle zwischen der Elektrode 40, 70 und der Membran 46 beeinflussen, wenn sie entfernt werden. Die geformte Membranelektrodenanordnung 12 wird dann abgenommen, wo sie zur nachfolgenden Verwendung aufgerollt werden kann oder unmittelbar weiter in einem Brennstoffzellenstapel eingebaut werden kann. Die Substrate 72, 78 werden dann bevorzugt unter Verwendung eines Lösemittels, wie bei 110 gezeigt ist, gereinigt.
Die diskreten Gebiete der Substratfläche 73 (5), an denen ein Film 70 durch die Aufbringung der Aufschlämmungsmischung ausgebildet wurde und dann durch Abziehen getrennt oder entfernt wurde, wird einfach durch Wischen oder Eintauchen des Substrats 72 in ein Reinigungslösemittel zwischen der Aufbringung anschließender Filme gereinigt. Das bzw. die Lösemittel, die bevorzugt dazu verwendet werden, das Substrat zwi schen Anwendungen zu reinigen, sind dieselben Lösemittel mit niedrigem Siedepunkt, wie vorher oben beschrieben wurde, und umfassen beispielsweise organische Lösemittel mit niedrigem Siedepunkt und Alkohole (Siedepunkt unter 100°C), umfassend: Isopropanol, Propanol, Ethanol, Methanol, Wasser und Mischungen derselben. Diese Lösemittel sind typischerweise kostengünstiger als Lösemittel mit hohem Siedepunkt und reinigen das Substrat effektiv zur Wiederverwendung. Das Substrat 72 wird dann zur Wiederverwendung bereitgestellt, wie bei 112 (4) gezeigt ist, und die Katalysatoraufschlämmung wird wiederum auf die diskreten Gebiete des Substrats bei 102 beschichtet oder aufgebracht. Dieser Prozess kann viele Male wiederholt werden.
In 7 ist eine Ausführungsform eines bevorzugten kontinuierlichen Prozesses beginnend mit der Aufschlämmungsherstellstation gezeigt, die bei 114 gezeigt ist. Wie gezeigt ist, verwendet der Prozess zwei kontinuierliche Streifen aus nicht porösen Polymersubstraten 72, die selektiv entlang jeweiliger Zufuhrpfade bewegt und vorgeschoben werden können. Wie in 7 gezeigt ist, verlaufen die kontinuierlichen Streifen des Substrats 72 jeweils entlang eines separaten kontinuierlichen Zufuhrpfads und werden jeweils als eine kontinuierliche Schleife bereitgestellt, die um verschiedene Walzen 116 in der durch die Pfeile angezeigten Richtung läuft. Somit besitzen bei der vorliegenden Ausführungsform beide Zufuhrpfade dieselbe Abfolge von Stationen, wobei die Substrate 72 jedoch in entgegengesetzten Richtungen laufen, wodurch die Beschreibung jeder Bearbeitungsstation auf beide Zufuhrpfade anwendbar ist. An den Beschichtungsstationen 118 werden eine oder mehrere Schichten aus Tinte 70 auf das Substrat 72 aufgebracht. Bevorzugt wird die Katalysatoraufschlämmung oder -tinte auf diskrete Gebiete an der Oberfläche 73 des kontinuierlichen Streifens des Substrats 72 musterbeschichtet. Beispielsweise kann die Aufschlämmung unter Verwendung von Druckprozessen oder Sprühbeschichtungsprozessen ausgebreitet werden, wie oben beschrieben ist. Das als kontinuierlicher Streifen vorliegende Substrat 72, auf dessen diskretes Gebiet eine Aufschlämmung aufgebracht worden ist, wird entlang des Zufuhrpfades zu einer Trocknungsstation 120 vorgeschoben. An der Trocknungsstation 120 wird die Tinte 70 durch Entfernen von Gusslösemittel getrocknet, um eine getrocknete Katalysatorschicht 70 zu bilden. Die Trocknungsstation 120 umfasst bevorzugt Infrarottrocknungslampen. Bei einer alternativen Ausführungsform besitzt die Trocknungsstation einen Ofen und/oder eine Vakuumkammer.
Das diskrete Gebiet, das eine getrocknete Katalysatorschicht 70 des kontinuierlichen Streifens des nicht polymeren Substrats 72 aufweist, wird zu einer Position benachbart zu einer Rolle aus Membran 46 vorgeschoben. Die Rolle aus Membran 46 wird zentral zwischen den Substraten 42 von beiden Zufuhrpfaden bereitgestellt, wo die getrocknete Katalysatorschicht oder die Abziehlage 70 an der Membran 46 angebracht wird, um die Elektroden 42, 44 zu bilden. Die Heißpressstation 122 verwendet ein Paar erhitzter Walzen, um die Elektroden 42, 44 (an den Substraten 72 angebracht und angeordnet, wie in 6 gezeigt ist) auf beide Seiten der Membran 46 heißzupressen. Alternativ dazu können erhitzte Platten anstelle der Walzen verwendet werden. Nach dem Heißpressen wird das Substrat 72 von den Elektroden 42, 44 (und der angebrachten Membran 46) an der Entfernungsstation 124 getrennt, indem die Substrate 72 um die Walzen 116 gedreht werden, wodurch der angebrachte getrocknete Elektrodenfilm 42, 44 auf beiden Seiten der Membran 46 zurückbleibt.
Eine alternative bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht ein Trägerelement (nicht gezeigt) vor, auf dem die Membran 46 selektiv bewegt wird. Das Trägerelement besteht bevorzugt aus demselben Material wie das Substrat 72. Die Elektrodenabziehlagen 70 sind an dem Substrat 72 beabstandet, so dass bei einem ersten Heißpressbetriebsablauf an einer Seite der Membran 46 eine Abziehlage 70 daran angebunden wird und an der entgegengesetzten Seite der Membran 46 das Trägerelement und das blanke Substrat 72 daran angepresst werden. Anschließend wird die Membran 46 von ihrem Trägerelement an das Substrat 72 als Ergebnis der Bindung an die Abziehlage übertragen. Eine zweite Elektrodenabziehlage 70 von dem anderen Substrat 72 wird dann an der entgegengesetzten Seite der Membran 46 angeordnet und daran durch einen zweiten Heißpressbetriebsablauf angebunden. Anschließend werden die Substrate 72 von der resultierenden Membranelektrodenanordnung, die durch diesen Prozess geformt wird, vor einer Reinigung und Rückführung zu der Beschichtungsstation 118 zur Wiederverwendung getrennt.
Das diskrete Gebiet an der Oberfläche 73, an der die Abziehlage 70 an dem kontinuierlichen Streifen des Substrats 72 entfernt wurde, gelangt dann durch eine Reinigungsstation 126, an der das Substrat gereinigt wird, beispielsweise mit einem Reinigungslösemittel besprüht und dann sauber gewischt wird, um das Lösemittel zu entfernen. Als Nächstes kehrt das Substrat 72 durch Verlauf um die Walzen 116 zu der Musterbeschichtungsstation 118 zurück. Somit wird der Prozess, wie oben beschrieben ist, immer wieder unter Verwendung derselben kontinuierlichen Streifen des Substrats 72 wiederholt.
Die Membranelektrodenanordnung 12 besitzt vor der Trennung der nicht porösen Substratschichten 72 ein Aussehen, wie in 6 gezeigt ist. Die Anordnung umfasst die Elektrolytmembran 46 mit Elektrodenabziehlagen 42, 44 auf jeder Seite und ein Trägersubstratmaterial 72 entlang der entgegengesetzten Seite jeder Elektrode 42, 44. Die Membranelektrodenanordnung 12 wird durch Heißpressen der nicht porösen Substratschichten 72 und Elektrodenabziehlagen 42, 44 ausgebildet, was eine starke Bindung zwischen den Elektroden 42, 44 und der Membran 46 bildet. Das Substratmaterial 42 wird vor der Verwendung der Membranelektrodenanordnung 12 in der Brennstoffzelle 10 entfernt. Die Vorgehensweise ist auf die Herstellung der Anode 42 und der Kathode 44 bei der Erzeugung einer Membranelektrodenanordnung 12 anwendbar.
Wie oben beschrieben ist, ist die gezeigte Vorrichtung in der Lage, beispielsweise einen kontinuierlichen oder gestuften Prozess auszuführen. Ein gestufter Prozess, bei dem der kontinuierliche Streifen des Substrats 72 selektiv zur Bearbeitung bewegt wird, kann ein diskontinuierliches Starten und Stoppen aufweisen. Ferner kann der kontinuierliche Streifen des Substrats 72 auf Haspeln gesammelt und dann wieder verwendet werden. Ein kontinuierlicher Prozess ist bevorzugt, bei dem das Substrat 72 in einer Schleife vorgesehen ist und kontinuierlich vorgeschoben wird. Beispielsweise könnten erhitzte Quetschwalzen, wie gezeigt ist, oder alternativ sich bewegende Platten dazu verwendet werden, eine kontinuierliche Bewegung der Substratschleifen sogar bei Heißpressbetriebsablaufen zu ermöglichen.
Es können auch viele andere Abwandlungen bezüglich der oben beschriebenen Ausführungsformen ausgeführt werden. Beispielsweise kann eine Schleife eines einzelnen Substrats 72 verwendet werden, wobei jede Seite der Membran 46 an verschiedene Abziehlagen 70 desselben Substrats 72 heißgepresst wird. Somit kann die erste Abziehlage 42 abgezogen werden, bevor das zweite Abziehlage 44 auf die entgegengesetzte Seite der Membran 46 heißgepresst wird. Die Bearbeitungsbedingungen für das nicht poröse Polymersubstrat werden bei Bedingungen ausgeführt, die ähnlich denen sind, die für herkömmlich verwendete (relativ teure und nicht wieder verwendbare) poröse Substrate aus expandiertem PTFE verwendet werden.
Das Folgende ist ein Beispiel einer Membranelektrodenanordnung, die gemäß dem hier beschriebenen Prozess hergestellt ist. Es wird eine Katalysatortinte aus einem Katalysator hergestellt, der bevorzugt zwischen etwa 20 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung umfasst, das bzw. die auf Kohlenstoff getragen ist, der die verbleibenden Gewichtsprozent darstellt. Genauer wird bei diesem Beispiel ein Katalysator aus 50 % Pt und 50 % C verwendet. In diesem Fall wird 1 Gramm von 50 Gew.-% Pt getragen auf XC-72 Vulcan Kohlenstoff, der kommerziell von Tanaka erhältlich ist, verwendet.
Diese Katalysatortinte wird mit 8 Gramm von 5 Gew.-% Nafion^®-Lösung, die als SE5112 bezeichnet ist, gemischt, die von DuPont als das Ionomer bei diesem Beispiel gekauft werden kann. Flemion^®, das unter anderem von Asahi Glass gekauft werden kann, kann auch als das Ionomer verwendet werden. Das Gusslösemittel der Ionomerlösung besteht aus 60 Gew.-% Wasser und 35 Gew.-% Alkohol mit niedrigem Siedepunkt, wie beispielsweise Isopropanol. Zusätzlich werden Wasser und Alkohol mit hohem Siedepunkt (beispielsweise n-Butanol) der Mischung zugesetzt, um die Gesamtmenge an Wasser und Gusslösemittel mit hohem Siedepunkt in der Mischung auf etwa 30 Gew.-% der Lösung und etwa 59 Gew.-% der Aufschlämmungsmischung anzuheben. Diese Mischung oder Aufschlämmung wird vor der Verwendung über 24 Stunden kugelgemahlen. Das Resultat ist die Katalysatortinte.
Die Katalysatortinte wird durch einen Mayer-Rod-Beschichtungsprozess auf ein Abziehlagensubstrat beschichtet, das eine 2 mil dicke Tafel aus Ethylentetrafluorethylen (ETFE) ist, die von DuPont als Tefzel^® kommerziell erhältlich ist. Es wird eine geeignete Mayer-Rod-Größe verwendet, um die gewünschte Dicke und anschließende Katalysatorbeladung zu erhalten. Bei diesem Beispiel wird eine Mayer-Rod-Zahl 80 verwendet, die getrocknete Katalysatorschicht ist etwa 14 Mikrometer dick und die resultierende Katalysatorbeladung beträgt etwa 0,4 mg Pt/cm².
Nach der Beschichtung wird die Abziehlage durch eine Infrarot-(IR)-Lampe bei etwa 100°C erhitzt, bis der größte Teil des Lösemittels verdampft worden ist. Bei diesem Beispiel beträgt diese anfängliche Trocknungszeit etwa 7 Minuten. Die Abziehlage kann in einem solchen anfänglichen Trocknungsschritt vollständig getrocknet werden oder kann alternativ einen weiteren Schritt umfassen, bei dem es in einem Ofen zwischen etwa 5 Minuten bis etwa 10 Minuten getrocknet wird, um jegliches restliches Gusslösemittel zu verdampfen. Daten geben an, dass praktisch kein Ionomer in das nicht poröse Polymersubstrat absorbiert ist und daher im Wesentlichen das gesamte Ionomer in der Tinte auf die Membran übertragen wurde.
Eine Abziehlage, die wie oben beschrieben vollständig geformt und getrocknet ist, wird auf jeder Seite einer Polymerelektrolytmembran angeordnet. Die Katalysatorabziehlage wird durch visuelle Ausrichtung gegenüber der Polymerelektrolytmembran angeordnet und die nicht porösen Polymersubstrate liegen nach außen frei. Bei diesem Beispiel wird die Ausgestaltung bei 400 psi, 145°C für etwa 4 Minuten bis etwa 8 Minuten abhängig von der Größe der Membranelektrodenanordnung heißgepresst. Für eine 50 cm² große Membranelektrodenanordnung dieses Beispiels, die Abziehlagen von grob der gleichen Größe besitzt, beträgt der Heißpressbetriebsablauf zwischen etwa 4 bis etwa 5 Minuten.
Es wird dann zugelassen, dass die Membranelektrodenanordnung für etwa eine Minute bei Raumtemperatur abkühlen kann, bevor das ETFE- Substrat von jeder Seite der Membranelektrodenanordnung getrennt oder abgezogen wird. Nach der Entfernung des Substrats verbleibt der Katalysatorfilm auf jeder Seite der Membran. Somit wurde eine endgültige Membranelektrodenanordnung (MEA) ausgebildet. Diese Anordnung wird auch als eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM) bezeichnet. Das Substrat ist dann zur Wiederverwendung verfügbar, um andere Abziehlagen darauf zu bilden.
In den 8 und 9 sind vergleichende Brennstoffzellenleistungsdaten für MEAs vorgesehen, wobei eine MEA, die aus einer Abziehlage ausgebildet ist, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, bei der ein nicht poröses Polymerabziehlagensubstrat (2 mil dickes ETFE) verwendet ist, gegenüber einer MEA verglichen wird, die unter Verwendung eines Abziehlagensubstrats aus expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE) hergestellt wurde. 8 zeigt einen Niederdruckleistungsvergleich der MEAs, und 9 zeigt einen Hochdruckleistungsvergleich derselben MEAs. Die MEA, die mit porösem ePTFE hergestellt wurde, wurde durch Sprühen eines zusätzlichen Ionomers auf den oberen Bereich der Katalysatorbeschichtung vor einer Abziehlagenübertragung hergestellt. Die MEA, die mit nicht porösem ETFE hergestellt wurde, wurde auf dieselbe Art und Weise wie in dem Fall des porösen ePTFE hergestellt, mit der Ausnahme, dass keine zusätzliche Sprühung erforderlich war (ein weiterer Vorteil bei der Vereinfachung des MEA-Herstellprozesses aus der Verwendung eines nicht porösen Polymersubstrats). Wie in 8 gezeigt ist, ist die Leistungsfähigkeit der beiden MEAs für Stapeldrücke bei 150 kPa ähnlich. 9 zeigt, dass bei einem höheren Stapeldruck von 270 kPa das Abziehlagenverfahren mit nicht porösem Substrat eine verbesserte Leistungsfähigkeit gegenüber dem porösen Abziehlagenverfahren zeigt. Beide Figuren stellen eine Luftleistungsfähigkeit bei 0,4/0,4 mg Pt/cm² auf einer 1 mil dicken Membran mit einer Zellentemperatur von 80°C, einer Anodenfeuchte bei 100 %, einer Kathodenfeuchte bei 50 % und einer Stöchiometrie von elementarem Wasserstoff zur Luft von 2/2 dar.
Es existieren verschiedene Vorteile der Verwendung eines nicht porösen Polymerabziehlagensubstratmaterials anstatt anderer poröser und nicht poröser Substrate in einem Aufschlämmungselektrodenausbildungsprozess. Das nicht poröse Polymersubstrat stellt sicher, dass eine gut dispergierte Katalysatortinte, die auf das Substrat beschichtet ist, nach dem Heißpresszyklus vollständig übertragen wird. Ferner sind nicht poröse Polymersubstrate gemäß der vorliegenden Erfindung kompatibel mit Aufschlämmungslösemitteln mit hohem Siedepunkt, die dazu verwendet werden können, Katalysatorabziehlagen und Elektroden mit hoher Qualität zu erzeugen. Andere Vorteile der nicht porösen Substrate umfassen: eine Elastizität oder Flexibilität bei der Bearbeitung, die die Bildung physikalischer Deformierungen und möglicher Schäden der Membrane oder Elektrode verhindert; eine Eignung für kontinuierliche Bahnbeschichtung; Haltbarkeit und Wiederverwendbarkeit; eine effizientere Produktion durch Beseitigung zusätzlicher Schritte, wie beispielsweise Zusatz von Ionomerschichten; eine verbesserte ökonomische Produktion insoweit als nicht poröse Polymersubstrate relativ kostengünstig im Vergleich zu porösen Materialien sind; und gesteigerte Leistungscharakteristiken.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichungen vom Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.
Zusammenfassung
Es ist ein Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung vorgesehen. Das Verfahren umfasst, dass ein nicht poröses Polymersubstrat vorgesehen wird, das eine ausreichende bauliche Integrität und elastische Verformung besitzt, so dass bei einer Bearbeitung keine signifikanten Deformierungen erfolgen, um eine Wiederverwendung zu erleichtern. Das Substrat wird optional in eine Schleife zur kontinuierlichen Bearbeitung geformt. Eine Aufschlämmung wird ausgebildet, die ein ionenleitendes Material, ein elektrisch leitendes Material, einen Katalysator und ein Lösemittel mit hohem Siedepunkt umfasst. Die Aufschlämmung wird auf das nicht poröse Polymersubstrat aufgetragen, beispielsweise in einem Muster diskreter Gebiete. Die Aufschlämmung wird getrocknet, um Abziehlagen zu bilden. Die Abziehlagen werden an eine Membran angebunden und anschließend wird das Substrat von der Abziehlage in einem im Wesentlichen unbeschädigten Zustand abgezogen, so dass dieses wieder verwendet werden kann.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Anordnung, die eine Elektrode umfasst, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Aufschlämmung gebildet wird, die ein ionenleitendes Material, ein elektrisch leitendes Material, einen Katalysator und ein Gusslösemittel mit hohem Siedepunkt umfasst; die Aufschlämmung auf ein nicht poröses Polymersubstrat aufgebracht wird, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Ethylentetrafluorethylen, Polyimid, Polytetrafluorethylen und Polyphenylsulfon, wobei das Substrat eine ausreichende bauliche Integrität besitzt, um eine Wiederverwendung zu erleichtern; das Gusslösemittel mit hohem Siedepunkt entfernt wird, um einen Film auf dem Substrat zu bilden; der Film mit einer Membran verbunden wird; und das Substrat von dem Film getrennt wird, so dass das Substrat wieder verwendet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass das nicht poröse Polymersubstrat mit einem Reinigungslösemittel gereinigt wird, um eine Aufschlämmung oder einen Film, der auf dem Substrat zurückbleibt, nachdem das Substrat von dem Film getrennt wurde, zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das nicht poröse Polymersubstrat eine Dicke zwischen etwa 12 bis etwa 250 μm besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das nicht poröse Polymersubstrat eine Oberflächenenergie von etwa 18 bis etwa 41 Dyn pro Zentimeter besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gusslösemittel mit hohem Siedepunkt Wasser umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gusslösemittel mit hohem Siedepunkt ein organisches Lösemittel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gusslösemittel mit hohem Siedepunkt einen Siedepunkt besitzt, der größer oder gleich 100°C ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gusslösemittel mit hohem Siedepunkt aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: n-Butanol, 2-Pentanol, 2-Octanol, Butylacetat und Mischungen derselben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verbinden dadurch erreicht wird, dass die zumindest eine Abziehlage an die Membran heißgepresst wird, was bei einer Temperatur bei oder oberhalb der Glasübergangstemperatur des Ionomers, jedoch unterhalb der Glasübergangstemperatur des nicht porösen Polymersubstrats erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Auftragen einen Beschichtungsprozess umfasst, der aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Drucken und Sprühen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Material Kohlenstoff umfasst und der Katalysator ein Metall umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das ionenleitende Material ein Perfluorsulfonationomer ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Reinigungslösemittel ein organisches Lösemittel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Reinigungslösemittel aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Propanol, Isopropanol, Ethanol, Methanol, Wasser und Mischungen derselben.
Verfahren zum Herstellen einer Anordnung, die eine Elektrode umfasst, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Aufschlämmung gebildet wird, die ein ionenleitendes Material, ein elektrisch leitendes Material, einen Katalysator und ein Gusslösemittel umfasst; die Aufschlämmung auf ein nicht poröses Polymersubstrat aufgebracht wird, das eine ausreichende bauliche Integrität besitzt, um eine Wiederverwendung zu erleichtern; das Lösemittel entfernt wird, um einen Katalysatorfilm auf dem Substrat zu bilden; der Film mit einer Membran verbunden wird; das Substrat von dem Film getrennt wird, so dass das Substrat wieder verwendet werden kann; das Substrat mit einem Reinigungslösemittel gereinigt wird, um jeglichen Film, der auf dem Substrat nach dem Trennen zurückbleibt, zu entfernen, um ein gereinigtes Substrat zu bilden; und das Auftragen der Aufschlämmung unter Verwendung des gereinigten Substrats wiederholt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das nicht poröse Polymersubstrat ein Polymer umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Ethylentetrafluorethylen, Polyimid und Polyphenylsulfon.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das nicht poröse Polymersubstrat Ethyltetrafluorethylen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das nicht poröse Polymersubstrat eine Dicke zwischen etwa 12 und etwa 250 μm besitzt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das nicht poröse Polymersubstrat eine Oberflächenenergie zwischen etwa 25 und etwa 30 Dyn pro Zentimeter besitzt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Gusslösemittel Wasser umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Gusslösemittel ein organisches Lösemittel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Gusslösemittel einen Siedepunkt von größer als etwa 100°C besitzt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Gusslösemittel aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: n-Butanol, 2-Pentanol, 2-Octanol, Butylacetat und Mischungen derselben.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Verbinden dadurch erreicht wird, dass die zumindest eine Abziehlage an die Membran heißgepresst wird, was bei einer Temperatur bei oder oberhalb der Glas übergangstemperatur des Ionomers, jedoch unterhalb der Glasübergangstemperatur des nicht porösen Polymersubstrats erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Auftragen einen Beschichtungsprozess umfasst, der aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Drucken und Sprühen.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das elektrisch leitende Material Kohlenstoff umfasst und der Katalysator ein Metall umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das ionenleitende Material ein Perfluorsulfonationomer ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Reinigungslösemittel ein organisches Lösemittel umfasst:
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Reinigungslösemittel aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Propanol, Isopropanol, Ethanol, Methanol, Wasser und Mischungen derselben.
Verfahren zum Herstellen einer Anordnung, die eine Elektrode umfasst, in einem kontinuierlichen Prozess, umfassend, dass: ein kontinuierlicher Streifen eines nicht porösen Polymersubstrats entlang eines Zufuhrpfades bewegt wird; eine Aufschlämmung, die ein ionenleitendes Material, ein elektrisch leitendes Material, einen Katalysator und ein Gusslösemittel umfasst, an einer ersten Station entlang des Zufuhrpfades gebildet wird; der kontinuierliche Streifen des nicht porösen Polymersubstrats zu der ersten Station vorgeschoben wird; die Aufschlämmung an der ersten Station auf eines oder mehrere diskrete Gebiete an einer Oberfläche des kontinuierlichen Streifens des nicht porösen Polymersubstrats aufgebracht wird; die Aufschlämmung getrocknet wird, um einen Film an jedem der diskreten Gebiete zu bilden; der kontinuierliche Streifen vorgeschoben wird, um eine Membran benachbart eines jeweiligen der Filme an den diskreten Gebieten zu positionieren; der Film mit der Membran verbunden wird, um eine Elektrode zu bilden; die Elektrode von dem kontinuierlichen Streifen entfernt wird; der kontinuierliche Streifen zu einer Reinigungsstation vorgeschoben wird, um die diskreten Gebiete der Oberfläche, von denen die Elektrode entfernt wurde, zu reinigen; und der gereinigte kontinuierliche Streifen des Substrats an die erste Station vorgeschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei zwei kontinuierliche nicht poröse Polymersubstrate entlang zweier unabhängiger Zufuhrpfade bewegt werden und das Vorschieben, Auftragen und Trocknen simultan entlang der diskreten Gebiete der beiden kontinuierlichen nicht porösen Polymersubstrate erfolgt, wobei ein erster bzw. ein zweiter Film gebildet wird, wobei das Vorschieben der diskreten Gebiete von beiden Substraten die Membran zwischen dem ersten und zweiten Film positioniert und wobei das Verbinden Elektroden entlang der zwei Seiten der Membran bildet.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das nicht poröse Polymersubstrat ein Polymer umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die um fasst: Ethylentetrafluorethylen, Polytetrafluorethylen, Polyimid und Polyphenylsulfon.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei die Aufschlämmung Wasser umfasst.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das Gusslösemittel ein organisches Lösemittel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das Gusslösemittel einen Siedepunkt von größer als etwa 100°C besitzt.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das Gusslösemittel aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: n-Butanol, 2-Pentanol, 2-Octanol, Butylacetat, Wasser und Mischungen derselben.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das Verbinden dadurch erreicht wird, dass zumindest ein Film an die Membran heißgepresst wird, was bei einer Temperatur bei oder oberhalb der Glasübergangstemperatur des Ionomers, jedoch unterhalb der Glasübergangstemperatur des nicht porösen Polymersubstrats erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das Auftragen einen Beschichtungsprozess umfasst, der aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: einen Druck- und einen Sprühprozess.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das elektrisch leitende Material Kohlenstoff umfasst und der Katalysator ein Metall umfasst.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das ionenleitende Material ein Perfluorsulfonationomer ist.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das Reinigen mit einem Lösemittel durchgeführt wird, das ein organisches Lösemittel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das Reinigen mit einem Lösemittel durchgeführt wird, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Propanol, Isopropanol, Ethanol, Methanol, Wasser und Mischungen derselben.