DE112004002007T5 - Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle Download PDF

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Gen Sayama Okiyama
Tomoko Sayama Date
Yasuhiro Sayama Nakao
Osamu Sayama Kakutani
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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenmembrananordnung für eine Brennstoffzelle durch Beschichten mit einer Schicht von Anoden- oder einer Kathodendiffusionsschichten mit einer Trägerschicht, Beschichten der Trägerschicht mit einer Schicht von Anoden- und Kathodenschichten vor dem Trocknen der Trägerschicht, Beschichten der Elektrodenschicht mit einem Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymer, wobei hierzu ein Lösungsmittel vor dem Trocknen der Elektrodenschicht zur Bildung einer Elektrolytmembran zugegeben wird, Beschichten der Elektrolytmembran mit der anderen Schicht der Anoden- und Kathodenschichten vor dem Trocknen der Elektrolytmembran und Überlagern auf der anderen Elektrodenschicht vor dem Trocknen der anderen Elektrodenschicht eines zweischichtigen Körpers, der aus Beschichtung der anderen Schicht der Anoden- und Kathodendiffusionsschichten mit einer Trägerschicht ausgebildet ist, zur Herstellung einer Elektrodenmembrananordnung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
Vortrocknen der Elektrodenmembrananordnung in ihrem nicht trockenen Zustand bei einer Temperatur, welche die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers nicht übersteigt;
Platzieren der vorgetrockneten Elektrodenmembran anordnung in Dampf zum Einführen von...

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenmembrananordnung, welche in einer Brennstoffzelle verwendet wird, und insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenmembrananordnung mit einer Elektrolytmembran aus Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymer.
  • HINTERGRUND DES GEBIETS
  • 11 zeigt eine bekannte Elektrodenmembrananordnung für eine Brennstoffzelle.
  • Bezugnehmend auf 11 umfasst die Elektrodenmembrananordnung 100 eine Kathodendiffusionsschicht 101, eine Kathodenträgerschicht 102, welche auf der Kathodendiffusionsschicht 101 aufliegt, eine Kathodenschicht 103, welche auf der Kathodenträgerschicht 102 aufliegt, eine Elektrolytmembran 104, welche auf der Kathodenschicht 103 aufliegt, eine Anodenschicht 105, welche auf der Elektrolytmembran 104 aufliegt, eine Anodenträgerschicht 106, welche auf der Anodenschicht 105 aufliegt, und eine Anodendiffusionsschicht 107, welche auf der Anodenträgerschicht 106 aufliegt.
  • Ein Verfahren zur Entfernung eines zur Beschichtung verwendeten organischen Lösungsmittels aus den Anoden- und Kathodenschichten 105 und 103 bei der Herstellung der Elektrodenmembrananordnung 100 um so die Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Leistungserzeugung der Elektrodenmembrananordnung 100 zu verbessern, ist beispielsweise in JP-A-9-274924 offenbart. Dieses Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenmembrananordnung wird auf Grundlage von (a) bis (f) in 12 beschrieben,
  • In 12(a) ist eine Kathodendiffusionsschicht 101 mit einer Kathodenschicht 103 in lackierter Form zur Ausbildung eines Kathodenlaminats 108 beschichtet.
  • Die Elektrodenschicht 103 in lackierter Form ist ein Lack, welcher durch Mischen eines Elektrodenkatalysators etc. in einem zur Beschichtung verwendetem organischem Lösungsmittel hergestellt wurde.
  • In (b) wird zur Bildung einer Wasserdampfströmung a1 Wasser 109 bis zum Sieden erhitzt und der Wasserdampfstrom a1 entfernt das organische Lösungsmittel zur Beschichtung aus der Elektrodenschicht 103 in lackierter Form, wie es durch Pfeile b1 angezeigt wird.
  • In (c) ist eine Anodendiffusionsschicht 107 mit einer Anodenschicht 105 in lackierter Form zur Ausbildung eines Anodenlaminats 110 beschichtet.
  • Die Elektrodenschicht 105 in lackierter Form ist ein Lack, welcher durch Mischen eines Elektrodenkatalysators etc. in einem zur Beschichtung verwendetem organischen Lösungsmittel hergestellt wurde.
  • In (d) wird zur Bildung eines Wasserdampfstroms a1 Wasser 109 bis zum Sieden erhitzt und der Wasserdampfstrom a1 entfernt das organische Lösungsmittel zur Beschichtung aus der Elektrodenschicht 105 in lackierter Form, wie es durch Pfeile b1 angezeigt ist.
  • In (e) ist eine Elektrolytmembran 104 zwischen dem Kathodenlaminat 108 und dem Anodenlaminat 110 angeordnet.
  • In (f) werden die Anoden- und Kathodenlaminate 110 und 108 warm miteinander verpresst, wobei die Elektrolytmembran 104 zwischen ihnen angeordnet ist.
  • Die Anoden- und Kathodenlaminate 110 und 108 und die Elektrolytmembran 104 werden dabei zur Ausbildung einer Elektrodenmembrananordnung 100 miteinander verbunden.
  • Die Elektrodenmembrananordnung 100 weist hinsichtlich ihrer Leistungserzeugung eine Leistungsfähigkeit auf, welche durch Entfernen der organischen Lösungsmittel zum Beschichten aus den Anoden- und Kathodenschichten 105 und 103 bei ihrer Herstellung verbessert wurde.
  • Wenn eine Elektrolytmembran 104 gebildet wird, wird jedoch ein organisches Lösungsmittel zur Beschichtung 111 mit einem Feststoffpolymer zur Ausbildung der lackartigen Anoden- und Kathodenschichten 105 und 103 vermischt. Die Elektrolytmembran 104 in Lackform wird zu einer Folie geformt und zwischen den Anoden- und Kathodenlaminaten 110 und 108 angeordnet. Deshalb enthält die Elektrodenmembrananordnung 100 das organische Lösungsmittel zur Beschichtung 111 in der Elektrolytmembran 104. Dies war ein Faktor, der die Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Leistungserzeugung der Elektrodenmembrananordnung 100 beeinträchtigte.
  • Ein Verfahren, in welchem eine verlängerte Warmpresszeit oder ein erhöhter Druck beim Warmpressen der Elektrolytmembran 104 zwischen den Anoden- und Kathodenlaminaten 110 und 108 verwendet wird, kann als Verfahren zur Entfernung des organischen Lösungsmittels zur Beschichtung 111 aus der Elektrolytmembran 104 angepasst werden. Die Verlängerung der Warmpresszeit für die Elektrodenmembrananordnung 100 macht es möglich, das organische Lösungsmittel zur Beschichtung 111 aus der Elektrolytmembran 104 zu entfernen.
  • Die Verlängerung der Warmpresszeit erschwert es jedoch, die Produktivität der Elektrodenmembrananordnung 100 zu erhöhen.
  • Die Erhöhung des Drucks beim Warmpressen der Elektrodenmembrananordnung 100 macht es möglich, das organische Lösungsmittel zur Beschichtung 111 aus der Elektrolytmembran 104 zu entfernen.
  • Die übermäßige Erhöhung des Drucks für die Elektrodenmembrananordnung 100 verursacht jedoch wahrscheinlich die Kompression der Anoden- und Kathodenschichten 105 und 103. Die Kompression der Kathoden- und Anodenschichten 105 und 103 erschwert es, die Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Leistungserzeugung der Elektrodenmembrananordnung 100 zu erhöhen.
  • Deshalb ist eine Technik erwünscht, welche es möglich macht, die Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Leistungserzeugung einer Elektrodenmembrananordnung für eine Brennstoffzelle zu erhöhen, während deren Produktivität erhalten bleibt.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenmembrananordnung für eine Brennstoffzelle bereitgestellt durch Beschichten einer Schicht von Anoden- und Kathodendiffusionsschichten mit einer Trägerschicht, Beschichten der Trägerschicht mit einer Schicht von Anoden- und Kathodenelektrodenschichten vor dem Trocknen der Trägerschicht, Beschichten der Elektrodenschicht mit einem Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymer, wobei hierzu ein Lösungsmittel vor dem Trocknen der Elektrodenschicht zur Bildung einer Elektrolytmembran zugegeben wird, Beschichten der Elektrolytmembran mit der anderen Schicht der Anoden- und Kathodenschichten vor dem Trocknen der Elektrolytmembran und Überlagern auf der anderen Elektrodenschicht vor dem Trocknen der anderen Elektrodenschicht eines zwei-schichtigen Körpers, der aus Beschichtung der anderen Schicht der Anoden- und Kathodendiffusionsschichten mit einer Trägerschicht ausgebildet ist, zur Herstellung einer Elektrodenmembrananordnung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Vortrocknen der Elektrodenmembrananordnung in ihrem nicht-trockenen Zustand bei einer Temperatur, welche die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers nicht übersteigt; Platzieren der vorgetrockneten Elektrodenmembrananordnung in Dampf zum Einführen von Dampf in die Elektrolytmembran; Entfernen des Lösungsmittels aus der Elektrolytmembran mit dem Dampf, der dorthinein eingeführt wird; und abschließendes Trocknen der Elektrodenmembrananordnung mit Elektrolytmembran aus der das Lösungsmittel entfernt worden ist, bei einer Temperatur, welche die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers nicht übersteigt.
  • Das Eintauchen der Elektrodenmembrananordnung in einen Wassertank zum Einführen von Wasser in die Elektrolytmembran und um zu bewirken, dass das Lösungsmittel so aus der Elektrolytmembran herausfließt, kann als Verfahren zur Entfernung des Lösungsmittels aus der Elektrolytmembran herangezogen werden. Die Anoden- und Kathodendiffusionsschichten, welche die gegenüberliegenden Seiten der Elektrodenmembrananordnung bilden, sind jedoch wasserabweisend und für Wasser in flüssigem Zustand nur wenig permeabel. Auch wenn die Elektrodenmembrananordnung in einen Wassertank eingetaucht werden kann, verhindern die Anoden- und Kathodendiffusionsschichten deshalb, dass Wasser in flüssigem Zustand in die Elektrolytmembran eintritt und machen es schwierig, das Lösungsmittel aus der Elektrolytmembran zu entfernen.
  • Die Anoden- und Kathodendiffusionsschichten verhindern die Permeation von Wasser in flüssigem Zustand, aber sie verhindern nicht die Permeation von Wasserdampf. Im Allgemeinen besteht ein Gas aus Molekülen, welche einzeln auftreten, wohingegen eine Flüssigkeit Moleküle enthält, welche sich zu einem etlichen zehnfach bis zu etlichen tausendfach größeren Volumen zusammenlagern, und einen offensichtlichen Partikeldurchmesser aufweist, welcher weitaus größer als der von Gas ist. Da die Poren der Anoden- und Kathodendiffusionsschichten hinsichtlich des Durchmessers größer als Gase und kleiner als Flüssigkeiten sind, verhindern die Anoden- und Kathodendiffusionsschichten die Permeation von Wasser in flüssigem Zustand, aber sie verhindern nicht die Permeation von Wasserdampf.
  • In dieser Erfindung wird die Elektrodenmembrananordnung deshalb in Dampf (Wasserdampf) platziert, um Dampf in die Elektrolytmembran einzubringen und um das Lösungsmittel aus der Elektrolytmembran mit dem Dampf, der dort hinein eingeführt wird, zu entfernen.
  • Wenn Dampf zur Entfernung des Lösungsmittels wie angegeben verwendet wird, strömt der Dampf durch die Anoden- und Kathodendiffusionsschichten und wird in die Elektrolytmembran eingeführt. Der in die Elektrolytmembran eingeführte Dampf macht es möglich, das Lösungsmittel aus der Elektrolytmembran schonend zu entfernen. Entsprechend weist die Elektrodenmembrananordnung eine erhöhte Leistungsfähigkeit hinsichtlich ihrer Leistungserzeugung auf, während ihre Produktivität erhalten bleibt.
  • Vorzugsweise wird die Entfernung des Lösungsmittels aus der Elektrolytmembran bei einer Temperatur durchgeführt, die die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers nicht übersteigt.
  • Die Höhe des Sättigungsdampfdrucks ist vorzugsweise die Höhe, welche für Dampf (Wasserdampf) zu einer zufriedenstellenden Entfernung des Lösungsmittels aus der Elektrolytmembran führt. Die Höhe des Sättigungsdampfdrucks macht es notwendig, die Temperatur der Umgebung, in welcher die Dampfbehandlung durchgeführt wird, auf einem hohen Niveau zu halten. Wenn aber die Umgebungstemperatur höher ist, als die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers, wird das Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymer zersetzt. Deshalb wird die Entfernung des Lösungsmittels aus der Elektrolytmembran bei einer Temperatur durchgeführt, die die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers nicht übersteigt. Das macht es möglich, dass Lösungsmittel aus der Elektrolytmembran zu entfernen, ohne dass das Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymer zersetzt wird, und es wird ermöglicht, die Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Leistungserzeugung der Elektrodenmembrananordnung zu erhöhen.
  • Es ist bevorzugt, dass die Entfernung des Lösungsmittels aus der Elektrolytmembran nicht durch Anlegen einer Belastung oder einer Belastung von 1,5 kPa oder weniger auf die Elektrodenmembrananordnung in ihrem Zustand vor dem Trocknen durchgeführt wird, und es ist bevorzugt, dass das abschließende Trocknen der Elektrodenmembrananordnung mit einer Elektrolytmembran aus der das Lösungsmittel entfernt worden ist nicht durch Anlegen einer Belastung oder durch Anlegen einer Belastung von 1,5 kPa an die Elektrodenmembrananordnung durchgeführt wird.
  • Mehrere Elektrodenmembrananordnungen werden aneinander geschichtet und eine spezifische Zusammensetzungsbelastung wird auf die geschichteten Elektrodenmembrananordnungen angelegt, um eine Brennstoffzelleneinheit zusammenzusetzen. Wenn durch die Brennstoffzelleneinheit Leistung erzeugt wird, dehnen sich die Elektrolytmembran und die Anoden- und Kathodenschichten aus oder schrumpfen. Deshalb ist die Zusammensetzungsbelastung, die auf die geschichteten Elektrodenmembrananordnungen angelegt wird, auf ein relativ niedriges Maß beschränkt, um die Elektrolytmembran und die Anoden- und Kathodenschichten infolge von Ausdehnen oder Zusammenziehen beweglich zu gestalten, so dass ihre Ausdehnung oder ihr Schrumpfen absorbiert werden kann.
  • Im Übrigen ist es möglich, dass, wenn das Lösungsmittel aus der Elektrolytmembran mit Dampf entfernt wird, der Dampf in die Elektrolytmembran und die Anoden und Kathoden eindringen kann, und diese dazu bringt, sich auszudehnen. Wenn die Elektrodenmembrananordnung abschließend getrocknet wird, ist es andererseits möglich, dass das Entfernen des Lösungsmittels aus der Elektrolytmembran und aus den Anoden und Kathoden dazu führen kann, dass die Elektrolytmembran etc. schrumpft. Entsprechend ist es möglich, dass die Behandlung zur Entfernung des Lösungsmittels aus der Elektrolytmembran und das abschließende Trocknen der Elektrodenmembrananordnung die Elektrolytmembran und die Anoden- und Kathodenschichten in den im Wesentlichen gleichen Zustand bringen als wenn Leistung durch die Brennstoffzelleinheit erzeugt wird.
  • Es ist deshalb nachvollziehbar, dass, wenn für die Behandlung zur Entfernung des Lösungsmittels aus der Elektrolytmembran und dem abschließenden Trocknen der Elektrodenmembrananordnung eine Belastung angelegt wird, welche größer als die Belastung zum Zusammenbau der Brennstoffzelleinheit ist, diejenigen Abschnitte der Elektrolytmembran und der Anoden- und Kathodenschichten, auf welche die Belastung angelegt worden ist, stark gepresst und unbeweglich werden können. Wenn die stark gepressten Abschnitte unbeweglich werden, dehnen sich die Elektrolytmembran und die Anoden- und Kathodenschichten aus oder schrumpfen. Als Ergebnis ist es wahrscheinlich, dass die Elektrolytmembran und die Anoden- und Kathodenschichten getrennt werden können.
  • Deshalb kann wie oben dargelegt die Entfernung des Lösungsmittels aus der Elektrolytmembran durch Anlegen keiner Belastung oder einer relativ niedrigen Belastung von 1,5 kPa oder weniger an die Elektrodenmembrananordnung in ihrem nicht-trockenen Zustand durchgeführt werden. Dies macht die Elektrolytmembran und die Anoden- und Kathodenschichten beweglich, um so eine Ausdehnung zu absorbieren, wenn Dampf durch in die Elektrolytmembran und die Anoden- und Kathodenschichten eindringt und diese dazu bringt, sich infolge des Behandlungsschritts zur Entfernung des Lösungsmittels aus der Elektrolytmembran auszudehnen.
  • Darüber hinaus kann das abschließende Trocknen auch durch Anlegen von keiner Belastung oder einer relativ niedrigen Belastung von 1,5 kPa oder weniger an die Elektrodenmembrananordnung mit einer Elektrolytmembran aus der das Lösungsmittel entfernt worden ist, durchgeführt werden. Dies macht die Elektrolytmembran und die Anoden- und Kathodenschichten beweglich, um so ein Schrumpfen zu absorbieren, wenn die Entfernung des Lösungsmittels die Elektrolytmembran und die Anoden- und Kathodenschichten dazu bringt, infolge des abschließenden Trocknungsschritts zu schrumpfen.
  • Das Absorbieren der Ausdehnung oder der Schrumpfung der Elektrodenmembran und der Anoden- und Kathodenschichten verhindert die Trennung oder das Brechen der Elektrodenmembran und der Anoden- und Kathodenschichten.
  • Das im Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendete Lösungsmittel ist vorzugsweise wenigstens ein Lösungsmittel ausgewählt aus N-methyl-2-pyrrolidon, Dimethylacetamid, Dimethylsulfoxid, N,N-Dimethylformamid und γ-Butyrolacton. Diese Lösungsmittel sind zur Massenherstellung von Elektrolytmembranen geeignet, da sie relativ leicht erhältlich sind.
  • Diese Lösungsmittel weisen einen höheren Siedepunkt als Wasser auf. Das Lösungsmittel kann jedoch in geeigneter Weise durch den Dampf, der in die Elektrolytmembran eingeführt wird, entfernt werden, auch wenn die Lösungsmitteltemperatur nicht bis zu ihrem Siedepunkt erhöht werden kann. Deshalb können sie leicht als das Lösungsmittel für die Elektrolytmembran verwendet werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, welche eine Brennstoffzelleinheit einschließlich einer Elektrodenmembrananordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 ist ein Diagramm, welches die Struktur der in 1 gezeigten Elektrodenmembrananordnung zeigt.
  • 3A und 3B sind Diagramme, welche ein Beispiel zeigen, in dem die Elektrodenmembrananordnung vorgetrocknet ist.
  • 4A und 4B sind Diagramme, welche ein Beispiel zeigen, in dem Dampf in die Elektrodenmembrananordnung eingeführt wird.
  • 5A und 5B sind Diagramme, welche ein Beispiel zeigen, in welchem Dampf in die Elektrolytmembran in der Elektrodenmembrananordnung eingeführt wird.
  • 6A, 6B und 6C sind Diagramme, welche ein Beispiel zeigen, in dem die Elektrodenmembrananordnung abschließend getrocknet wird.
  • 7A und 7B sind Diagramme, welche ein Vergleichsbeispiel zeigen, in dem ein Lösungsmittel aus der Elektrolytmembran durch Eintauchen der Elektrodenmembrananordnung in Wasser entfernt wird.
  • 8A und 8B sind Graphen, welche ein Vergleichsbeispiel und ein Beispiel der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der zur Entfernung des Lösungsmittels aus der Elektrolytmembran erforderlichen Zeit und der verbleibenden Menge an Lösungsmittel vergleichen.
  • 9A und 9B sind Diagramme, welche ein Beispiel zeigen, in dem die Elektrodenmembrananordnung der vorliegenden Erfindung als Brennstoffzelle verwendet wird.
  • 10A und 10B sind Diagramme, welche ein Beispiel zeigen, in welchem die Elektrodenmembrananordnung gemäß dem Vergleichsbeispiel als Brennstoffzelle verwendet wird.
  • 11 ist ein Diagramm, welches die Struktur einer bekannten Elektrodenmembrananordnung für eine Brennstoffzelle zeigt.
  • 12(a) bis (f) sind Diagramme, welche ein Verfahren zur Herstellung der bekannten Elektrodenmembrananordnung zeigen.
  • BESTE ART UND WEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • 1 zeigt eine Brennstoffzelleinheit 10 einschließlich einer Elektrodenmembrananordnung für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Die Brennstoffzelleinheit 10 enthält mehrere Brennstoffzellen 11 (zwei in dem in 1 gezeigten Beispiel).
  • Jede Brennstoffzelle 11 weist jeweils ein Kathodentrennelement 13 bzw. ein Anodentrennelement 14 auf den gegenüberliegenden Seiten einer Elektrodenmembrananordnung 12 für eine Brennstoffzelle auf.
  • Die Elektrodenmembrananordnung 12 enthält eine Kathodendiffusionsschicht 21, eine Kathodenträgerschicht 22, eine Kathodenschicht 23, eine Elektrolytmembran 24, eine Anodenschicht 25, eine Anodenträgerschicht 26 und eine Anodendiffusionsschicht 27, welche übereinander gelagert sind.
  • Die Kathodendiffusionsschicht 21 und die Anodendiffusionsschicht 27 definieren die einander gegenüberliegenden Seiten der Elektrodenmembrananordnung 12.
  • Das Kathodentrennelement 13 ist auf der Kathodendiffusionsschicht 21 überlagernd angeordnet. Mehrere Durchlassspuren 15, welche auf dem Kathodentrennelement 13 ausgebildet sind, werden durch die Kathodendiffusionsschicht 21 bedeckt und die Kathodendiffusionsschicht 21 und die Durchlassspuren 15 definieren mehrere Wasserstoffgasdurchlässe 17.
  • Das Anodentrennelement 14 ist auf der Anodendiffusionsschicht 27 überlagernd angeordnet. Mehrere Durchlassspuren 16, welche im Anodentrennelement 14 ausgebildet sind, werden durch die Anodendiffusionsschicht 27 bedeckt, und die Anodendiffusionsschicht 27 und die Durchlassspuren 16 definieren mehrere Sauerstoffgasdurchlässe 18.
  • Gemäß der Brennstoffzelle 11 fließen zur Erzeugung eines elektrischen Stroms Elektronen (e–) wie durch einen Pfeil x gezeigt, wenn Wasserstoffgas zu den Wasserstoffgasdurchlässen 17 zugeführt wird, während Sauerstoffgas zu den Sauerstoffgasdurchlässen 18 zugeführt wird.
  • 2 zeigt die Elektrodenmembrananordnung 12 für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Die Elektrodenmembrananordnung 12 enthält eine Kathodendiffusionsschicht 21, eine Kathodenträgerschicht 22, welche überlagernd auf der Kathodendiffusionsschicht 21 angeordnet ist, eine Kathodenschicht 23, welche überlagernd auf der Kathodenträgerschicht 22 angeordnet ist, eine Elektrolytmembran 24, welche überlagernd auf der Kathodenschicht 23 angeordnet ist, eine Anodenschicht 25, welche überlagernd auf der Elektrolytmembran 24 angeordnet ist, eine Anodenträgerschicht 26, welche überlagernd auf der Anodenschicht 25 angeordnet ist und eine Anodendiffusionsschicht 27, welche überlagernd auf der Anodenträgerschicht 26 angeordnet ist.
  • Die Kathodendiffusionsschicht 21 und die Anodendiffusionsschicht 27 werden beispielsweise aus porösem Kohlepapier gebildet, welches einer wasserabweisenden Behandlung unterzogen worden ist.
  • Die Kathodendiffusionsschicht 21 ist durch ihre wasserabweisende Behandlung so gestaltet, dass Wasser von ihrer Oberfläche abgewiesen wird und dass die Kathodendiffusionsschicht 21 für Wasser schwer durchdringbar ist, wenn sich Wasser in einem flüssigen Zustand befindet, wohingegen sie leicht durchdringbar ist, wenn Wasser sich in einem gasförmigen Zustand befindet (Wasserdampf).
  • Die Anodendiffusionsschicht 27 ist durch ihre wasserabweisende Behandlung wie die Kathodendiffusionsschicht 21 so gestaltet, dass Wasser von ihrer Oberfläche abgewiesen wird und die Anodendiffusionsschicht 27 für Wasser schwer durchdringbar ist, wenn Wasser sich in einem flüssigen Zustand befindet, wohingegen sie leicht durchdringbar ist, wenn sich Wasser in einem gasförmigen Zustand befindet (Wasserdampf).
  • Im Allgemeinen besteht ein Gas aus Molekülen, welche einzeln auftreten, wohingegen eine Flüssigkeit Moleküle enthält, welche sich zu einem etlichen zehnfach bis zu etlichen tausendfach größeren Volumen zusammenlagern, und einen offensichtlichen Partikeldurchmesser aufweist, welcher drastisch größer als der von Gas ist.
  • Da die wasserabweisende Behandlung der Anoden- und Kathodendiffusionsschichten 21 und 27 die Poren der Anoden- und Kathodendiffusionsschichten 21 und 27 im Durchmesser größer als Gase aber kleiner als Flüssigkeiten gestaltet, verhindern die Anoden- und Kathodendiffusionsschichten 21 und 27 die Permeation von Wasser in einem flüssigen Zustand, wohingegen sie die Permeation von Wasserdampf nicht verhindern.
  • Die Kathodenträgerschicht 22 wird beispielsweise aus gekörnter Kohle 28 und einem dazu zugegebenem Bindemittel (Fluoresin) 29 gebildet.
  • Die Anodenträgerschicht 26 wird beispielsweise aus gekörnter Kohle 31 und einem dazu zugegebenem Bindemittel (mit Sulphonsäure, die in das Skelett aus Polytetrafluorethylen eingeführt wurde) 32 gebildet.
  • Die Kathodenschicht 23 wird durch Beschichten der Kathodenträgerschicht 22 mit einem Gemisch aus einem Katalysator (Elektrodenkörnchen) 34 und einem Lösungsmittel für die Kathode und durch ihre Verfestigung durch Trocknen des Lösungsmittels gebildet. Der Katalysator 34 in der Kathodenschicht 23 weist eine Platin-Ruthenium-Legierung 36 auf, welche als Katalysator auf der Kohlenoberfläche 35 trägergestützt ist.
  • Die Anodenschicht 25 wird durch Beschichten der Elektrolytmembran 24 mit einem Gemisch aus einem Katalysator (Elektrodenkörnchen) 37 und einem Lösungsmittel für die Anode und durch ihre Verfestigung durch Trocknen des Lösungsmittels gebildet. Der Katalysator 37 in der Anodenschicht 25 weist Platin 39 auf, welches als Katalysator auf der Kohlenoberfläche 38 trägergestützt ist.
  • Die Elektrolytmembran 24 ist ausgebildet als integraler verfestigter Teil der Kathodenschicht 23 und der Anodenschicht 25, wobei die Kathodenschicht 23 mit einem Lack beschichtet wird, welcher durch Zugabe eines Lösungsmittels 41 zu einem Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymer und Entfernen und Verfestigen des Lösungsmittels hergestellt wird. Das Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymer weist eine Zersetzungstemperatur von 160 °C bis 200 °C auf.
  • Das Lösungsmittel 41 ist wenigstens ein Lösungsmittel ausgewählt aus NMP (N-Methyl-2-pyrrolidon), DMAc (Dimethylacetamid), DMSO (Dimethylsulfoxid), DMF (N,N-Dimethylformamid) und γ-Butyrolacton.
  • NMP (N-Methyl-2-pyrrolidon), DMAc (Dimethylacetamid), DMSO (Dimethylsulfoxid), DMF (N,N-Dimethylformamid) und γ-Butyrolacton sind relativ einfach erhältlich und sind als Lösungsmittel für die Elektrolytmembran 24 einfach zu verwenden.
  • NMP (N-Methyl-2-pyrrolidon) ist ein Lösungsmittel mit einem Siedepunkt von 204 °C.
  • DMAc (Dimethylacetamid) ist ein Lösungsmittel mit einem Siedepunkt von 165,5 °C.
  • DMSO (Dimethylsulfoxid) ist ein Lösungsmittel mit einem Siedepunkt von 189 °C.
  • DMF (N,N-Dimethylformamid) ist ein Lösungsmittel mit einem Siedepunkt von 153 °C.
  • γ-Butyrolacton ist ein Lösungsmittel mit einem Siedepunkt von 204 °C.
  • Das Lösungsmittel 41 weist somit einen Siedepunkt auf, der höher ist als die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers von 160 °C bis 200 °C.
  • Das Lösungsmittel 41 umfasst ein Lösungsmittel mit einem Siedepunkt, der niedriger ist als die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers von 160 °C bis 200 °C, wie beispielsweise DMF (N,N-Dimethylformamid) mit einem Siedepunkt von 153 °C. Später wird Bezug genommen auf die Verwendung eines Lösungsmittels 41 mit einem Siedepunkt, der niedriger ist als die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers von 160 °C bis 200 °C.
  • Wenn ein Lösungsmittel 41 mit einem Siedepunkt, der höher als die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers von 160 °C bis 200 °C ist, verwendet wird, ist es schwierig, die Trocknungstemperatur bis hin zum Siedepunkt des Lösungsmittels 41 anzuheben, wenn die laminierte Elektrodenmembrananordnung 12 getrocknet wird, und dabei das Lösungsmittel 41 aus der Elektrolytmembran 24 entfernt wird.
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Entfernung des Lösungsmittels 41, welches in der Elektrolytmembran 24 beim Verfahren zur Herstellung der Elektrodenmembrananordnung 12 zurückbleibt, wird nun auf Grundlage der 3A bis 6C beschrieben.
  • 3A bis 6C zeigen ein Beispiel, in welchem die Elektrodenmembrananordnung für eine Brennstoffzelle vorgetrocknet wird.
  • In 3A wird eine Kathodendiffusionsschicht 21 mit einer Kathodenträgerschicht 22 beschichtet und bevor die Kathodenschicht 22 trocknet, wird sie mit einer Kathodenschicht 23 beschichtet.
  • Bevor die Kathodenschicht 23 trocknet, wird ein Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymer, zu welchem wenigstens ein Lösungsmittel 41 ausgewählt aus N-Methyl-2-pyrrolidon, Dimethylacetamid, Dimethylsulfoxid, N,N-Dimethylformamid und γ-Butyrolacton hinzu gegeben worden ist, zur Beschichtung der Kathodenschicht 23 aufgetragen, um eine Elektrolytmembran 24 auszubilden.
  • Anschließend wird die Elektrolytmembran 24 mit einer Anodenschicht 25 beschichtet bevor sie trocknet.
  • Abschließend wird ein zweischichtiger Körper 43, welcher durch Beschichten einer Anodendiffusionsschicht 27 mit einer Anodenträgerschicht 26 hergestellt wurde, überlagernd auf der Anodenschicht 25 angeordnet, wie es durch Pfeile a gezeigt ist, bevor die Anodenschicht 25 trocknet. Hierdurch wird eine Elektrodenmembrananordnung 12 in ihrem nicht-trockenen Zustand erhalten.
  • In 3B wird eine Belastung F1 auf die Elektrodenmembrananordnung 12, welche sich in ihrem nicht-trockenem Zustand befindet, angelegt und sie wird durch eine Wärmevorrichtung 45, wie durch die Pfeile b gezeigt, erwärmt. Ihre Erwärmungstemperatur wird auf eine Temperatur eingestellt, welche die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers nicht übersteigt. Im Besonderen reicht die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers von 160 °C bis 200 °C und die Erwärmungstemperatur reicht von 50 °C bis 150 °C.
  • Das Erwärmen der Elektrodenmembrananordnung 12, welche sich in ihrem nicht-trockenem Zustand befindet, durch die Wärmevorrichtung 45 leistet deren Vortrocknung indem es dazu führt, dass ein Teil des Lösungsmittels aus der Elektrodenmembrananordnung 12, welche sich in ihrem nicht-trockenem Zustand befindet, verdampft wird, wie es durch die Pfeile c angezeigt ist.
  • Die Elektrodenmembrananordnung 12, welche sich in ihrem nicht-trockenem Zustand befindet, wird unter keiner Belastung gehalten oder unter einer relativ niedrigen Belastung F1 von 1,5 kPa oder weniger. Entsprechend sind die Elektrolytmembran 24, die Kathodenschicht 23 und die Anodenschicht 25 frei bewegbar, wenn sie als Ergebnis der Verdampfung eines Teils des Lösungsmittels aus der Elektrodenmembrananordnung 12, welche sich in ihrem nicht-trockenem Zustand befindet, schrumpfen, wie es durch die Pfeile C gezeigt ist.
  • Unter keiner Belastung oder unter einer nur beschränkten Belastung F1 von 1,5 kPa oder weniger, wie angegeben, verhindert die Absorption der Schrumpfung der Elektrolytmembran 24, der Kathodenschicht 23 und der Anodenschicht 25 die Trennung oder ein Brechen der Elektrolytmembran 24, der Kathodenschicht 23 und der Anodenschicht 25.
  • 4A und 4B zeigen ein Beispiel, in welchem Dampf in die Elektrodenmembrananordnung eingeführt wird.
  • In 4A wird die vorgetrocknete Elektrodenmembrananordnung 12 in ihrer Behandlungsposition in einer Dampfbehandlungskammer 46 platziert, d.h. zwischen einer oberen Dampfsprühvorrichtung 47 und einer unteren Dampfsprühvorrichtung 48.
  • Nach dieser Platzierung wird eine Belastung F2 auf die Elektrodenmembrananordnung 12, welche sich in ihrem vorgetrockneten Zustand befindet, angelegt. Anschließend versprühen mehrere Düsen 47A der oberen Dampfsprühvorrichtung 47 Dampf (Wasserdampf) gegen die vorgetrocknete Elektrodenmembrananordnung 12, wie es durch Pfeile d angezeigt ist.
  • Gleichzeitig versprühen mehrere Düsen 48A der unteren Dampfsprühvorrichtung 48 Dampf (Wasserdampf) gegen die vorgetrocknete Elektrodenmembranvorrichtung 12, wie es durch Pfeile e gezeigt ist.
  • Die Dampfbehandlungskammer 46 erhält eine Atmosphäre mit einer hohen Temperatur aufrecht, wobei die Temperatur die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers von 160 °C bis 200 °C nicht übersteigt, oder wobei die Temperatur insbesondere von 70 °C bis 150 °C reicht.
  • Der Dampf erreicht die Oberfläche 27a der Anodendiffusionsschicht 27, wie es durch die Pfeile d in 4B gezeigt ist. Die Anodendiffusionsschicht 27 besitzt wasserabweisende Eigenschaften. Entsprechend wird Wasser in einem flüssigen Zustand durch die Oberfläche 27A der Anodendiffusionsschicht 27 abgewiesen und kann nicht durch die Anodendiffusionsschicht 27 hindurch treten. Jedoch kann Wasser in Form einzelner Moleküle, welche durch Dampf erzeugt werden (hierin zur Erklärungserleichterung vereinfachend als „Dampf" bezeichnet), durch die Anodendiffusionsschicht 27 hindurch treten. Daher tritt Dampf, welcher durch die Düsen 47a versprüht wurde, von der Oberfläche der Anodendiffusionsschicht 27 in die Anodendiffusionsschicht 27 ein, wie es durch Pfeile f gezeigt ist.
  • Der Dampf, welcher in die Anodendiffusionsschicht 27 eingetreten ist, tritt aus der Anodendiffusionsschicht 27 in die Anodenträgerschicht 26 und in die Anodenschicht 25 ein.
  • 5A und 5B zeigen ein Beispiel, in welchem Dampf in die Elektrolytmembran 24 in der Elektrodenmembrananordnung 12 eingeführt wird.
  • In 5A tritt der Dampf, welcher durch die Anodendiffusionsschicht 27 hindurch getreten ist, durch die Anodenträgerschicht 26 und die Anodenschicht 25 hindurch und erreicht die Elektrolytmembran 24, wie es durch Pfeile f gezeigt ist.
  • In ähnlicher Weise tritt Dampf, der durch die Düsen 48a der unteren Dampfsprühvorrichtung 48 versprüht wurde, wie es durch die Pfeile e gezeigt ist, durch die Kathodendiffusionsschicht 21 hindurch. Der Dampf, der durch die Kathodendiffusionsschicht 21 hindurch getreten ist, tritt durch die Kathodenträgerschicht 22 und die Kathodenschicht 23 hindurch und erreicht die Elektrolytmembran 24, wie es durch Pfeile g gezeigt ist.
  • Der Dampf, welcher die Elektrolytmembran 24 erreicht hat, wie es durch die Pfeile f und g gezeigt ist, tritt in die Elektrolytmembran 24 ein, wie es in 5B gezeigt ist.
  • Der Dampf, der in die Elektrolytmembran 24 wie beschrieben eingeführt worden ist, vertreibt das Lösungsmittel 41 aus der Elektrolytmembran 24, wie es durch die Pfeile h gezeigt ist.
  • Der Dampf, welcher in die Elektrolytmembran 24 eingetreten ist, verbleibt als Wasser 49 in der Elektrolytmembran 24.
  • Ein zufriedenstellender Wasserdampfzustand wird durch Durchführen der Behandlung zur Lösungsmittelentfernung durch Dampf bei einer hohen Temperatur von 70 °C bis 150 °C aufrechterhalten, wie es in 5A gezeigt ist. Dies macht es möglich, Dampf schonend in die Elektrolytmembran 24 einzuführen und dabei das Lösungsmittel 41 aus der Elektrolytmembran 24 in einer kürzeren Zeit zu entfernen. Es ist jedoch nötig, eine Temperatur einzuhalten, die niedriger als die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers von 160 °C bis 200 °C ist.
  • Die Behandlung zur Entfernung des Lösungsmittels durch Dampf wird bei einer Temperatur durchgeführt, welche die Zersetzungstemperatur von 160 °C bis 200 °C des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers, welches die Elektrolytmembran 24 bildet, nicht übersteigt, wie oben beschrieben. Dies macht es möglich, das Lösungsmittel aus der Elektrolytmembran 24 zu entfernen, ohne dass das Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymer zersetzt wird.
  • Es wird keine Belastung oder nur eine relativ niedrige Belastung F2 von 1,5 kPa oder weniger auf die Elektrodenmembrananordnung 12, welche sich in ihrem vorgetrockneten Zustand befindet, angelegt.
  • Entsprechend sind die Elektrolytmembran 24, die Kathodenschicht 23 und die Anodenschicht 25 frei bewegbar, wenn sie sich infolge des Auftreffens des Dampfs an der Elektrolytmembran 24 ausdehnen, wobei der Dampf aus den Düsen 47a und 48a versprüht wurde.
  • Unter keiner Belastung oder unter einer nur beschränkten Belastung F2 von 1,5 kPa oder weniger, wie oben ausgeführt, verhindert die Absorption der Ausdehnung der Elektrolytmembran 24, der Kathodenschicht 23 und der Anodenschicht 25 die Trennung oder ein Brechen der Elektrolytmembran 24, der Kathodenschicht 23 und der Anodenschicht 25.
  • Das Lösungsmittel 41, wie beispielsweise N-Methyl-2-pyrrolidon, Dimethylacetamid, Dimethylsulfoxid, N,N-Dimethylformamid oder γ-Butyrolacton, weist einen Siedepunkt auf, welcher höher als der von Wasser ist.
  • Das Lösungsmittel 41 in der Elektrolytmembran 24 kann aber in geeigneter Weise durch den Dampf, welcher in die Elektrolytmembran 24 eingeführt wird, entfernt werden. Deshalb ist es einfach, N-Methyl-2-pyrrolidon, Dimethylacetamid, Dimethylsulfoxid, N,N-Dimethylformamid oder γ-Butyrolacton als das Lösungsmittel 41 für die Elektrolytmembran 24 zu verwenden.
  • 6A, 6B und 6C zeigen ein Beispiel, in welchem die Elektrodenmembrananordnung abschließend getrocknet wird.
  • In 6A wird eine Belastung F3 auf die Elektrodenmembrananordnung 12, welche sich in ihrem vorgetrockneten Zustand befindet, angelegt und sie wird durch eine Wärmevorrichtung 51 erwärmt, wie es durch Pfeile i gezeigt ist. Ihre Trocknungstemperatur wird bei einer Temperatur festgesetzt, welche die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers nicht übersteigt. Ihre Erwärmungstemperatur ist auch niedriger als der Siedepunkt des Lösungsmittels 41. Insbesondere reicht die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers von 160 °C bis 200 °C und die Trocknungstemperatur reicht von 50 °C bis 150 °C.
  • Das Erwärmen der Elektrodenmembrananordnung 12, welche sich in ihrem vorgetrockneten Zustand befindet, durch die Wärmevorrichtung 51 erreicht deren abschließende Trocknung.
  • In 6B führt die abschließende Trocknung der Elektrodenmembrananordnung 12, welche sich in ihrem vorgetrockneten Zustand befindet, dazu, dass das Wasser 49 in der Elektrolytmembran 24 verdampft, wie es durch Pfeile j gezeigt ist.
  • Das Wasser 49, welches in der Elektrolytmembran 24 verblieben ist, wird entfernt, wie in 6C gezeigt.
  • Nahezu das vollständige Lösungsmittel 41, welches in der Elektrolytmembran 24 verbleibt, ist bereits aus der Elektrolytmembran 24 entfernt worden, wie es unter Bezugnahme auf 5B erklärt wird. Entsprechend hinterlässt die Entfernung von Wasser 49 aus der Elektrolytmembran 24 nur eine kleine Menge Lösungsmittel 41 im Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymer der Elektrolytmembran 24 zurück. Daher macht es die Durchführung des Herstellungsverfahrens, welches in den 3A bis 6C gezeigt ist, möglich, das Lösungsmittel 41 in der Elektrolytmembran 24 erheblich zu reduzieren, auch wenn deren Trocknungstemperatur bei einer Temperatur festgesetzt wird, welche die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers nicht übersteigt oder bei einer Temperatur festgesetzt wird, welche niedriger ist als der Siedepunkt des Lösungsmittels 41.
  • Die Elektrodenmembrananordnung 12, welche sich in ihrem vorgetrockneten Zustand befindet, wird unter keiner Belastung gehalten oder unter einer relativ niedrigen Belastung F1 von 1,5 kPa oder weniger.
  • Entsprechend sind die Elektrolytmembran 24, die Kathodenschicht 23 und die Anodenschicht 25 frei bewegbar, wenn sie als Ergebnis der Verdampfung eines Teils des Lösungsmittels aus der Elektrodenmembrananordnung 12, welche sich in ihrem vorgetrockneten Zustand befindet, schrumpfen, wie es durch die Pfeile c gezeigt ist.
  • Unter keiner Belastung oder unter einer nur beschränkten Belastung F1 von 1,5 kPa oder weniger, wie dargelegt, verhindert die Absorption der Schrumpfung der Elektrolytmembran 24, der Kathodenschicht 23 und der Anodenschicht 25 die Trennung oder ein Brechen der Elektrolytmembran 24, der Kathodenschicht 23 und der Anodenschicht 25.
  • Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Herstellung einer Elektrodenmembrananordnung wird die Elektrodenmembrananordnung 12, welche sich in ihrem vorgetrockneten Zustand befindet, in Dampf platziert, Dampf wird in die Elektrolytmembran 24 eingeführt und das Lösungsmittel 41 wird aus der Elektrolytmembran 24 durch den Dampf, der dort hinein eingeführt wird, entfernt, wie es oben beschrieben ist.
  • Im Allgemeinen besteht ein Gas aus Molekülen, welche einzeln auftreten, wohingegen eine Flüssigkeit Moleküle enthält, welche sich zu einem etlichen zehnfach bis zu etlichen tausendfach größeren Volumen zusammenlagern, und einen offensichtlichen Partikeldurchmesser aufweist, welcher drastisch größer als der von Gas ist.
  • Da die Behandlung zur Wasserabweisung der Anoden- und Kathodendiffusionsschichten 21 und 27 die Poren der Anoden- und Kathodendiffusionsschichten 21 und 27 hinsichtlich des Durchmessers größer als Gase, aber kleiner als Flüssigkeiten macht, verhindern die Anoden- und Kathodendiffusionsschichten 21 und 27 die Permeation von Wasser in einem flüssigen Zustand, wohingegen sie die Permeation von Wasserdampf nicht verhindern, wie es zuvor ausgeführt wurde.
  • Daher tritt Dampf, wenn Dampf zur Entfernung des Lösungsmittels 41 verwendet wird, in ausreichendem Maße durch die Anoden- und Kathodendiffusionsschichten 21 und 27 hindurch und wird in die Elektrolytmembran 24 eingeführt.
  • Das Einführen von Dampf in die Elektrolytmembran 24 macht es möglich, das Lösungsmittel 41 aus der Elektrolytmembran 24 mit Dampf schonend zu entfernen und dadurch eine erhöhte Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Leistungserzeugung zu erreichen, während die Produktivität aufrechterhalten wird.
  • Einige Lösungsmittel 41 weisen einen Siedepunkt auf, der niedriger ist als die Zersetzungstemperatur von 160 °C bis 200 °C des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers, wie beispielsweise DMF (N,N-Dimethylformamid) mit einem Siedepunkt von 153 °C, wie es zuvor ausgeführt wurde.
  • Dieses Lösungsmittel 41 kann aus der Elektrolytmembran 24 relativ gut ohne Verwendung der Wasserdampfbehandlung entfernt werden, wie in den 3A bis 6C gezeigt ist, wenn die Erwärmungstemperatur für ein Vortrocknen oder abschließendes Trocknen bis zum Siedepunkt des Lösungsmittels 41 erhöht wird.
  • Es ist jedoch schwierig, das Lösungsmittel 41 nur durch Erhöhen der Erwärmungstemperatur bis zum Siedepunkt des Lösungsmittels 41 gründlich aus der Elektrolytmembran 24 zu entfernen, ohne eine Wasserdampfbehandlung zu verwenden wie es in 3A bis 6C gezeigt ist.
  • Deshalb wird eine Wasserdampfbehandlung, wie in den 3A bis 6C gezeigt, auch für den Fall der Verwendung eines Lösungsmittels 41 mit einem niedrigeren Siedepunkt als die Zersetzungstemperatur von 160 °C bis 200 °C des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers verwendet, so dass es möglich sein kann, das Lösungsmittel 41 aus der Elektrolytmembran 24 schonend zu entfernen und dadurch eine erhöhte Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Leistungserzeugung zu erreichen, während die Produktivität aufrechterhalten wird.
  • 7A und 7B zeigen ein Vergleichsbeispiel, indem eine Elektrodenmembrananordnung in Wasser eingetaucht wird, um ein Lösungsmittel aus ihrer Elektrolytmembran zu entfernen.
  • In 7A wird eine vorgetrocknete Elektrodenmembrananordnung 12 in einem Wassertank 55 platziert und in Wasser 56 eingetaucht.
  • Da die Kathodendiffusionsschicht 21 und die Anodendiffusionsschicht 27 in der Elektrodenmembrananordnung 12 wasserabweisende Eigenschaften besitzen, wird Wasser 56 in seinem flüssigen Zustand durch deren Oberflächen abgewiesen und kann nicht durch die Kathodendiffusionsschicht 21 oder die Anodendiffusionsschicht 27 hindurch treten.
  • In 7B benötigt Wasser 56 in flüssigem Zustand eine lange Zeit, um durch die Kathodendiffusionsschicht 21 und die Anodendiffusionsschicht 27 hindurch in die Elektrolytmembran 24 einzutreten, da die Kathodendiffusionsschicht 21 und die Anodendiffusionsschicht 27 (siehe 7A bezüglich der Kathodendiffusionsschicht 21) Wasser 56 in flüssigem Zustand ausschließen.
  • Gemäß dem Vergleichsbeispiel bedarf es deshalb einer langen Zeitspanne, das Lösungsmittel 41 aus der Elektrolytmembran 24 zu entfernen und es ist schwierig, das Lösungsmittel 41 gründlich zu entfernen.
  • 8A und 8B sind Graphen, welche die Menge des Lösungsmittels zeigen, das in der Elektrolytmembran verbleibt.
  • Das Vergleichsbeispiel bezieht sich auf das Beispiel, in welchem das Lösungsmittel 41 aus der Elektrolytmembran 21 durch das Verfahren gemäß der 7A und 7B entfernt wird. Das Beispiel der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf das Beispiel, in welchem das Lösungsmittel 41 aus der Elektrolytmembran 24 durch das Verfahren gemäß der 3A bis 6C entfernt wird. Die Hochachse des in 8A gezeigten Graphen bezieht sich auf die Zeit, welche zur Entfernung des Lösungsmittels 41 notwendig ist. Die Hochachse des in 8B gezeigten Graphen bezieht sich auf die Menge des Lösungsmittels 41, welches in der Elektrolytmembran 24 zurückbleibt.
  • Im Hinblick auf die Produktivität der Elektrodenmembrananordnung 12 ist es bevorzugt, die zur Entfernung des Lösungsmittels 41 notwendige Zeit auf 60 Minuten oder weniger zu beschränken. Im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Leistungserzeugung der Elektrodenmembrananordnung 12 ist es andererseits bevorzugt, die verbleibende Menge des Lösungsmittels 41 auf 0,5 oder weniger zu beschränken. Entsprechend wurden die Fälle, in welchen die zur Entfernung des Lösungsmittels 41 erforderliche Zeit 60 Minuten oder weniger beträgt und die verbleibende Menge des Lösungsmittels 41 0,5 % oder weniger beträgt als „gut" bewertet, wohingegen alle anderen Fälle als „schlecht" bewertet wurden.
  • Die verbleibende Menge des Lösungsmittels 41 wurde auf Gewichtsgrundlage angezeigt, relativ zum Gewicht des Polymers in der Elektrolytmembran 24, welches als 100 % gesetzt wurde.
  • Gemäß dem Vergleichsbeispiel wurde eine vorgetrocknete Elektrodenmembrananordnung 12 wurde für 24 Stunden in Wasser eingetaucht und sie wurde gemäß dem Beispiel der vorliegenden Erfindung für 10 Minuten gegenüber Dampf exponiert, wie es durch den Graphen in 8A gezeigt ist.
  • Die Menge des in der Elektrolytmembran 24 zurückgebliebenen Lösungsmittels 41 betrug gemäß dem Vergleichsbeispiel 30 % und 0,1 % gemäß dem Beispiel der vorliegenden Erfindung. Die zurückbleibende Menge des Lösungsmittels gemäß dem Vergleichsbeispiel betrug 20 bis 30 %, aber der Graph in 8B zeigt sie vereinfachend als 30 %.
  • Das Vergleichsbeispiel lehrt, dass die Menge des in der Elektrolytmembran 24 zurückgebliebenen Lösungsmittels 41 soviel wie 30 beträgt, auch nach langer Eintauchzeit der vorgetrockneten Elektrodenmembrananordnung 12 in Wasser. Daher wird das Vergleichsbeispiel als „schlecht" bewertet, da die zur Entfernung des Lösungsmittels 41 erforderliche Zeit 60 Minuten überstieg und die verbleibende Menge an Lösungsmittel 41 über 0,5 % lag.
  • Andererseits lehrt das Beispiel der vorliegenden Erfindung, dass die Menge des in der Elektrolytmembran 24 zurückgebliebenen Lösungsmittel 41 nur durch eine kurze Expositionszeit der vorgetrockneten Elektrodenmembrananordnung 12 gegenüber Dampf auf 0,1 % verringert werden kann. Deshalb wird das Beispiel der vorliegenden Erfindung als „gut" bewertet, da die zur Entfernung des Lösungsmittels 41 notwendige Zeit nicht mehr als 60 Minuten betrug und die verbleibende Menge an Lösungsmittel 41 geringer als 0,5 % war.
  • Ein Beispiel der vorliegenden Erfindung und ein Vergleichsbeispiel, in welchem eine Elektrodenmembrananordnung 12 in einer Brennstoffzelle verwendet wird, wird nun auf Grundlage von 9A und 9B und 10A und 10B beschrieben.
  • 9A und 9B zeigen ein Beispiel, in welchem eine Elektrodenmembrananordnung gemäß dem Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
  • Ein Wasserstoffion (H+) in einer Kathodenschicht 23 tritt durch eine Elektrolytmembran 24 und fließt in eine Anodenschicht 25 ein, wie es durch einen Pfeil k in 9A gezeigt ist. Das Wasserstoffion (H+) reagiert mit Sauerstoff (O2) in der Anodenschicht 25 unter Erzeugung von Wasser (H2O).
  • Ein Teil des in der Anodenschicht 25 erzeugten Wassers (H2O) wird von der Anodenschicht 25 in die Elektrolytmembran 24 eingeführt, wie es durch einen Pfeil m in 9B gezeigt ist.
  • Die Einführung eines Teils des erzeugten Wassers in die Elektrolytmembran 24 hält die Elektrolytmembran 24 in einem feuchten Zustand. Das Halten der Elektrolytmembran 24 in einem feuchten Zustand erhält die Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Leistungserzeugung der Elektrodenmembrananordnung 12 aufrecht.
  • Es ist möglich, dass die Einführung eines Teils des erzeugten Wassers in die Elektrolytmembran 24 dazu führen kann, dass das Lösungsmittel 41, welches in der Elektrolytmembran 24 zurückgeblieben ist, aus der Elektrolytmembran 24 ausfließt. Der Ausfluß einer großen Menge an Lösungsmittel 41 aus der Elektrolytmembran 24 führt hinsichtlich der Abmessungen der Elektrolytmembran 24 wahrscheinlich zu einer großen Änderung und verursacht dadurch die Trennung oder ein Brechen der Elektrolyt membran 24.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Lösungsmittel 41, welches in der Elektrolytmembran 24 der Elektrodenmembrananordnung 12 zurückbleibt, darauf beschränkt, von einem so geringen Anteil wie 0,5 % zu sein, wie es unter Bezugnahme auf 8B erläutert wird.
  • Die Beschränkung des Lösungsmittels 41, welches in der Elektrolytmembran 24 zurückbleibt, auf einen so niedrigen Wert wie 0,5 % macht es möglich, zu verhindern, dass irgendwelche große Änderungen hinsichtlich der Abmessungen an der Elektrolytmembran 24 auftreten, auch wenn das Lösungsmittel 41 aus der Elektrolytmembran 24 ausfließen kann. Dies macht es möglich, ein Auftreten jeglicher Trennung oder jeglichen Brechens der Elektrodenmembrananordnung 12 zu verhindern und ermöglicht es so, die Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Leistungserzeugung der Elektrodenmembrananordnung 12 aufrechtzuerhalten.
  • 10A und 10B zeigen ein Beispiel, in welchem eine Elektrodenmembrananordnung gemäß dem Vergleichsbeispiel verwendet wird.
  • Die Elektrodenmembrananordnung 150 gemäß dem Vergleichsbeispiel weist ein Lösungsmittel 154 auf, welches aus ihrer Elektrolytmembran 152 durch Eintauchen in Wasser 56 im Wassertank 55 entfernt wurde, wobei dies unter Bezugnahme auf die 7A und 7B erklärt worden ist. Soviel wie 30 Lösungsmittel 154 verbleibt in der Elektrolytmembran 152, wie es unter Bezugnahme auf 8B erklärt worden ist.
  • Ein Wasserstoffion (H+) in einer Kathodenschicht 151, welche die Elektrodenmembrananordnung 150 bildet, tritt durch die Elektrolytmembran 152 hindurch und fließt in eine Anodenschicht 153, wie es durch einen Pfeil n in 10A gezeigt ist. Das Wasserstoffion (H+) reagiert mit Sauerstoff (O2) in der Anodenschicht 153 unter Erzeugung von Wasser (H2O).
  • Ein Teil des in der Anodenschicht 153 erzeugten Wassers (H2O) wird aus der Anodenschicht 153 in die Elektrolytmembran 152 eingeführt, wie es in 10B gezeigt ist. Die Einführung eines Teils des erzeugten Wassers in die Elektrolytmembran 152 hält die Elektrolytmembran 152 in einem feuchten Zustand. Das Halten der Elektrolytmembran 152 in einem feuchten Zustand erhält die Leistungsfähigkeit der Elektrodenmembrananordnung 150 hinsichtlich der Leistungserzeugung aufrecht.
  • Die Einführung eines Teils des erzeugten Wassers aus der Anodenschicht 153 in die Elektrolytmembran 152 führt jedoch dazu, dass eine große Menge Lösungsmittel 154 aus der Elektrolytmembran 152 ausfließt, da soviel wie 30 % Lösungsmittel 154 in der Elektrolytmembran 152 der Elektrodenmembrananordnung 150 zurückbleiben.
  • Es ist möglich, dass der Ausfluß einer großen Menge an Lösungsmittel 154 aus der Elektrolytmembran 152 eine große Veränderung hinsichtlich der Abmessungen der Elektrolytmembran 152 verursachen kann.
  • Wenn eine große Veränderung hinsichtlich der Abmessungen an der Elektrolytmembran 152 auftritt, neigt die Elektrolytmembran 152 dazu, sich relativ zur Kathodenschicht 151 und zur Anodenschicht 153 zu verschieben. Als Ergebnis wird eine Scherkraft an der Grenzfläche zwischen der Elektrolytmembran 152 und der Kathodenschicht 151 erzeugt und in der Kathodenschicht 151 wird ebenfalls eine Scherkraft erzeugt. Gleichzeitig wird eine Scherkraft an der Grenzfläche zwischen der Elektrolytmembran 152 und der Anodenschicht 153 erzeugt und in der Anodenschicht 153 wird ebenfalls eine Scherkraft erzeugt.
  • Es ist deshalb möglich, dass eine Trennung oder ein Brechen 155 in der Elektrodenmembrananordnung 150 auftreten kann. Es ist wahrscheinlich, dass dies die Leistungsfähigkeit der Elektrodenmembrananordnung 150 hinsichtlich der Leistungserzeugung erniedrigt.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung beschrieben worden ist durch Bezugnahme auf den Fall, in dem die Elektrodenmembrananordnung 12 durch Übereinanderanordnen der Kathodendiffusionsschicht 21, der Kathodenträgerschicht 22, der Kathodenschicht 23, der Elektrolytmembran 24, der Anodenschicht 25, der Anodenträgerschicht 26 und der Anodendiffusionsschicht 27 in dieser Reihenfolge aufeinander folgend hergestellt worden ist, ist es auch möglich, die Elektrodenmembrananordnung 12 durch Übereinanderanordnen der Anodendiffusionsschicht 27, der Anodenträgerschicht 26, der Anodenschicht 25, der Elektrolytmembran 24, der Kathodenschicht 23, der Kathodenträgerschicht 22 und der Kathodendiffusionsschicht 21 in dieser Reihenfolge aufeinander folgend herzustellen.
  • Auch wenn die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf den Fall beschrieben worden ist, in welchem wenigstens ein Lösungsmittel aus NMP, DMAc, DMSO, DMF und γ-Butyrolacton als das Lösungsmittel 41 ausgewählt worden ist, ist die Erfindung nicht auf NMP, DMAc, DMSO, DMF und γ-Butyrolacton beschränkt.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung durch Bezugnahme auf den Fall beschrieben worden ist, in welchem Wasserdampf als Dampf verwendet wird, ist es auch möglich, einen beliebigen Alkohol oder einen beliebigen anderen Dampf zu verwenden, welcher die Elektrolytmembran 24 nicht schädigt. Obwohl die vorliegende Erfindung durch Bezugnahme auf den Fall beschrieben worden ist, in welchem die Elektrodenmembrananordnung 12, welche sich in ihrem nicht-trockenem Zustand befindet, durch die Wärmevorrichtung 45 vorgetrocknet worden ist und die Elektrodenmembrananordnung 12, welche sich in ihrem vorgetrocknetem Zustand befindet, durch die Wärmevorrichtung 51 abschließend getrocknet worden ist, ist es ebenfalls möglich, warme Luft oder andere Mittel anstelle der Wärmevorrichtungen 45 und 51 für das Vortrocknen und abschließende Trocknen der Elektrodenmembrananordnung 12 zu verwenden.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung durch Bezugnahme auf den Fall beschrieben worden ist, bei welchem beim Arbeitsschritt zur Vortrocknung der Elektrodenmembrananordnung 12 eine Belastung F1 auf die Elektrodenmembranvorrichtung 12 angelegt wird, beim Arbeitsschritt zur Entfernung des Lösungsmittels 41 aus der Elektrolytmembran 24 mit Dampf eine Belastung F2 auf die Elektrodenmembrananordnung 12 angelegt wird und beim Arbeitsschritt zum abschließenden Trocknen der Elektrodenmembrananordnung 12 eine Belastung F3 auf die Elektrodenmembrananordnung 12 angelegt wird, wird eine derartige Behandlung unter keiner Belastung durchgeführt oder durch Verwendung einer Belastung von 1,5 kPa oder weniger als jeweiligem Wert für F1, F2 und F3 durchgeführt wird, ist die Anwendung einer bestimmten Belastung F1, F2 oder F3 auf die Elektrodenmembrananordnung 12 vorzugsweise keine Belastung, um so ein besseres Haften in der Elektrodenmembrananordnung 12 sicherzustellen.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Die vorliegende Erfindung ist als Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenmembrananordnung für eine Brennstoffzelle einschließlich einer Elektrolytmembran aus einem Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymer geeignet.
  • Zusammenfassung
  • Offenbart wird ein Verfahren zur Entfernung eines Lösungsmittels (41), welches sich in einer Elektrolytmembran (24) befindet, wobei die Elektrolytmembran Bestandteil einer Membranelektrodenanordnung (12) ist, welche in einer Brennstoffzelle verwendet wird. Die Membranelektrodenanordnung wird in Wasserdampf angeordnet und der Wasserdampf wird in die Elektrolytmembran eingeführt, wobei der Dampf durch Diffusionsschichten (21, 27) bzw. auf Anoden-/Kathodenseiten übertragen wird. Das Lösungsmittel in der Elektrolytmembran wird durch den so eingeführten Wasserdampf entfernt. Die Entfernung des Lösungsmittels wird bei Temperaturen durchgeführt, welche nicht höher sind, als die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenmembrananordnung für eine Brennstoffzelle durch Beschichten mit einer Schicht von Anoden- oder einer Kathodendiffusionsschichten mit einer Trägerschicht, Beschichten der Trägerschicht mit einer Schicht von Anoden- und Kathodenschichten vor dem Trocknen der Trägerschicht, Beschichten der Elektrodenschicht mit einem Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymer, wobei hierzu ein Lösungsmittel vor dem Trocknen der Elektrodenschicht zur Bildung einer Elektrolytmembran zugegeben wird, Beschichten der Elektrolytmembran mit der anderen Schicht der Anoden- und Kathodenschichten vor dem Trocknen der Elektrolytmembran und Überlagern auf der anderen Elektrodenschicht vor dem Trocknen der anderen Elektrodenschicht eines zweischichtigen Körpers, der aus Beschichtung der anderen Schicht der Anoden- und Kathodendiffusionsschichten mit einer Trägerschicht ausgebildet ist, zur Herstellung einer Elektrodenmembrananordnung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Vortrocknen der Elektrodenmembrananordnung in ihrem nicht trockenen Zustand bei einer Temperatur, welche die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers nicht übersteigt; Platzieren der vorgetrockneten Elektrodenmembran anordnung in Dampf zum Einführen von Dampf in die Elektrolyt membran; Entfernen des Lösungsmittels aus der Elektrolytmembran mit dem Dampf, der dort hinein eingeführt wird; und abschließendes Trocknen der Elektrodenmembranan Ordnung mit Elektrolytmembran aus der das Lösungsmittel entfernt worden ist, bei einer Temperatur, welche die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers nicht übersteigt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Entfernung des Lösungsmittels aus der Elektrolytmembran bei einer Temperatur durchgeführt wird, welche die Zersetzungstemperatur des Kohlenwasserstoff-Feststoffpolymers nicht übersteigt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektrodenmembranan Ordnung in ihrem nicht trockenem Zustand unter keiner Belastung oder unter einer Belastung von 1,5 kPa oder weniger gehalten wird, wenn das Lösungsmittel aus der Elektrolytmembran entfernt wird, und wobei die Elektrodenmembrananordnung mit Elektrolytmembran aus der das Lösungsmittel entfernt worden ist, unter keiner Belastung oder einer Belastung von 1,5 kPa oder weniger gehalten wird, wenn die Elektrodenmembrananordnung abschließend getrocknet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Lösungsmittel wenigstens ein aus N-Methyl-2-pyrrolidon, Dimethylacetamid, Dimethylsulfoxid, N,N-Dimethylformamid und γ-Butyrolacton ausgewähltes Lösungsmittel ist.
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