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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer
Brennstoffzellen-Elektrolytmembran und ein Verfahren zum Herstellen
einer Membran-Elektroden-Einheit unter Verwenden der hergestellten
Elektrolytmembran.
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Stand der Technik
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Eine
Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle ist als ein Typ von Brennstoffzelle
bekannt. Da eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle durch geringe
Betriebstemperaturen (von ungefähr 80°C bis 100°C),
geringe Kosten und ihre kompakte Größe in Vergleich
zu verschiedenen Typen von Brennstoffzellen charakterisiert ist,
ist es beabsichtigt, dass sie als Fahrzeugstromquelle und dergleichen
dient.
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Wie
in 4 gezeigt, ist in einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) 50, die als Hauptbestandteil
verwendet wird, von Separatoren 51 umgeben, von denen jeder
einen Brenngas-(Wasserstoff-)Gaskanal und einen Luftgaskanal aufweisen,
so dass eine einzelne Brennstoffzelle 55, bezeichnet als
Einzelzelle, gebildet wird. Die Membran-Elektroden-Einheit 50 weist
eine Struktur auf, in welcher eine anodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht 53a auf
einer Seite der als Ionenaustauschmembran dienenden Elektrolytmembran 52 laminiert
ist und eine kathodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht 53b auf
die andere Seite derselben laminiert ist.
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Eine
Persulfonsäurepolymer-Dünnschicht (Nafion-Membran,
DuPont, US) umfassend ein Elektrolytharz (Ionenaustauschharz), wird
hauptsächlich als eine solche Elektrolytmembran 52 verwendet.
Zusätzlich wird, da eine ausreichende Festigkeit unter Verwenden
einer aus einem Elektrolytharz bestehenden Dünnschicht
nicht erreicht werden kann, ermöglicht, dass eine Elektrolytharzlösung
eine poröse Verstärkungsmembran imprägniert
(z. B. eine durch Strecken von PTFE, Polyolefinharz, oder dgl. hergestellte
Dünnschicht), so dass eine verstärkte Elektrolytmembran
erhalten wird (siehe Patentdokument 1, etc.).
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Für
die Elektrodenkatalysatorschichten 53a und 53b wird
hauptsächlich ein einen Elektrodenkatalysator wie Platin-tragenden
Kohlenstoff und ein Elektrolytharz umfassendes Elektrodenkatalysatormaterial
verwendet. Die Membran-Elektroden-Einheit 50 wird durch
Aufbringen eines solchen Elektrodenkatalysatormaterials auf eine
Elektrolytmembran 52 durch ein Siebdruckverfahren oder
dergleichen, gefolgt von Trockenen erhalten (siehe Patentdokument
2, etc.).
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Hinsichtlich
einer Verbesserung der Stromerzeugungsleitung ist es für
eine Membran-Elektroden-Einheit erwünscht, dass sie einen
großen wirksamen Kontaktbereich zwischen der Elektrolytmembran
und der Elektrodenkatalysatorschicht aufweist. Um einen solchen
Zweck zu erreichen wurde vorgeschlagen, dass eine Membran-Elektroden-Einheit
erhalten werden kann, indem Aussparungen und Vorsprünge
auf der Seite der Elektrodenkatalysatorschicht in einem einleitenden
Schritt unter Verwenden einer Presse oder dergleichen und Pressschweißen
der Elektrolytmembran hierauf gebildet werden (siehe Patentdokument
3, etc.).
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- Patentdokument 1: JP
Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 9-194609 A (1997)
- Patentdokument 2: JP
Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 9-180728 A (1997)
- Patentdokument 3: JP
Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2005-293923 A
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Offenbarung der Erfindung
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Durch die Erfindung zu lösendes
Problem
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Jede
Elektrolytmembran, die eine herkömmliche Elektrolytharzdünnschicht
oder eine verstärkte Elektrolytmembran umfasst, die auf
eine Weise hergestellt wurde, wie es im Patentdokument 1 beschrieben
wird, weist eine flache Oberfläche auf. Wenn eine Membran-Elektroden-Einheit
unter Verwenden einer solchen Membran durch ein herkömmliches
wie in Patentdokument 2 beschriebenes Verfahren erhalten wird, bleibt
der wirksame Kontaktbereich zwischen der Elektrolytmembran und der
Elektrodenkatalysatorschicht als der Oberflächenbereich
einer flachen Oberfläche. Unter Verwenden des in Patentdokument
3 beschriebenen Verfahrens ist es möglich, den wirksamen
Kontaktbereich zwischen der Elektrolytmembran und der Elektrodenkatalysatorschicht
als Ergebnis der Bildung von Aussparungen und Vorsprüngen
auf der Seite der Elektrodenkatalysatorschicht zu erhöhen.
Dennoch wird die Elektrolytmembran wahrscheinlich beschädigt,
wenn die Elektrodenkatalysatorschicht, auf der Aussparungen und Vorsprünge
gebildet wurden, auf eine Elektrolytmembran mit einer flachen Oberfläche
pressgeschweißt wird. Zusätzlich macht es die
Anwesenheit einer Grenzfläche zwischen der Elektrolytmembran
und der Elektrodenkatalysatorschicht unmöglich, eine Verringerung
in der Stromerzeugungseffizienz der Membran-Elektroden-Einheit,
die durch den Widerstand der Grenzfläche hervorgerufen
wird, zu verhindern.
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Die
vorliegende Erfindung wurde hinsichtlich der oben genannten Umstände
gemacht. Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren
zum Herstellen einer Brennstoffzellen-Elektrolytmembran bereit zu
stellen, mit welcher es möglich ist, den wirksamen Kontaktbereich
zwischen der Elektrolytmembran und der Elektrodenkatalysatorschicht
zu erhöhen und ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit
bereit zu stellen, in dem eine solche Elektrolytmembran verwendet
wird, wobei der zwischen der Elektrolytmembran und der Elektrodenkatalysatorschicht
erzeugte Grenzflächenwiderstand so verringert ist, dass
die Stromerzeugungsleistung verbessert werden kann.
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Mittel zum Lösen
des Problems
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Die
erste Erfindung gemäß der vorlegenden Anmeldung
betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellen-Elektrolytmembran,
umfassend wenigstens einen Schritt des Erwärmens und Pressens
einer einen Elektrolyt auf Fluorbasis umfassenden Elektrolytmembran
unter Verwenden einer Platte, die Aussparungen und Vorsprünge auf
ihrer Oberfläche aufweist, so dass Aussparungen und Vorsprünge
auf der Oberfläche der Elektrolytmembran gebildet werden.
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Eine
nach dem obigen Herstellungsverfahren hergestellte Elektrolytmembran
weist Aussparungen und Vorsprünge auf ihrer Oberfläche
auf, und daher wird aufgrund solcher Aussparungen und Vorsprünge
der Oberflächenbereich vergrößert. Solche Aussparungen
und Vorsprünge können eine beliebige Größe
und Form aufweisen. Die Größe und die Form werden
entsprechend, basierend auf der notwendigen Größe
des Oberflächenbereichs, bestimmt. In üblichen
Fällen, beträgt die Tiefe einer Aussparung (oder
Höhe eines Vorsprungs) einige Mikrometer bis mehrere zehn
Mikrometer. Aussparungen und Vorsprünge können
auf einer kontinuierlich gebogenen Oberfläche geformt werden
oder können mit vielen konkaven Nuten und säulenförmigen
konkaven Anteilen gebildet werden. Als Elektrolytharz, das als Ausgangsmaterial
für die Elektrolytmembran verwendet wird, wird ein Elektrolyt
auf Fluorbasis, der aus einem Vorläuferpolymer für
ein Elektrolytpolymer besteht hinsichtlich seiner Wärmestabilität
verwendet. Zusätzlich wird, wenn nötig, ein Schritt
durchgeführt, in dem dem Elektrolytpolymer mittels Hydrolyse oder
dergleichen Ionenaustauscheigenschaften verliehen werden, welcher
dem Schritt des Bildens der Aussparungen und Vorsprünge
auf der Elektrolytmembranoberfläche folgt.
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Die
zweite Erfindung gemäß der vorliegenden Anmeldung
betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellen-Elektrolytmembran,
umfassend wenigstens die folgenden Schritte: einen Schritt des Aufbringens,
wobei Elektrolytpartikel auf Fluorbasis auf die Oberfläche
einer porösen Verstärkungsmembran aufgebracht
werden; einen Imprägnierschritt, wobei die poröse
Verstärkungsmembran, auf die die Elektrolytpartikel aufgebracht
wurden, unter Verwenden einer erwärmten Platte erwärmt
wird, Schmelzen der Partikel und Ermöglichen, dass die Elektrolytpartikel
die poröse Verstärkungsmembran imprägnieren,
so dass eine Elektrolytmembran erhalten wird; und einen Schritt
des Pressens der Elektrolytmembran mit einer Platte, die Aussparungen
und Vorsprünge auf ihrer Oberfläche aufweist,
so dass Aussparungen und Vorsprünge auf der Oberfläche der
Elektrolytmembran gebildet werden.
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Als
hierin verwendete poröse Verstärkungsmembran kann
entsprechend eine Membran verwendet werden, die durch Strecken von
PTFE (Polytetrafluorethylen), eines Polyolefinharzes oder dergleichen,
welches für eine herkömmliche verstärkte Elektrolytmembran
verwendet wurde, in einer einzelnen axialen oder biaxialer Richtung
hergestellt wird. Die auf die Oberfläche der porösen
Verstärkungsmembran aufzubringenden Elektrolytpartikel
auf Fluorbasis werden durch Bilden eines Elektrolyts auf Fluorbasis
in Harzpartikeln erhalten, wobei die Partikelgröße
derselben bevorzugt 100 μm oder weniger und stärker
bevorzugt ungefähr 0,1 μm bis 50 μm beträgt.
Die poröse Verstärkungsmembran, auf die die Elektrolytpartikel
auf Fluorbasis aufgebracht wurden, wird mit einer erwärmten
Platte erwärmt, so dass die Elektrolytpartikel schmelzen
und die poröse Verstärkungsmembran imprägnieren.
Der geschmolzene Elektrolyt imprägniert die poröse
Verstärkungsmembran, ohne die Notwendigkeit aktiv von außen
gepresst zu werden. Daher wird keine Beschädigung an der
porösen Verstärkungsmembran aufgrund des Pressens
hervorgerufen. Als Nächstes wird eine solche mit dem Elektrolytharz
imprägnierte verstärkte Elektrolytmembran mit
einer Platte, die Aussparungen und Vorsprünge auf ihrer
Oberfläche aufweist, gepresst, so dass Aussparungen und
Vorsprünge auf der Oberfläche der Elektrolytmembran
gebildet werden.
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Die
zum Schmelzen der Elektrolytpartikel verwendete Wärmeplatte
kann von der zum Bilden der Aussparungen und Vorsprünge
auf der Oberfläche der Elektrolytmembran verwendeten Pressplatte verschieden
sein. In einem solchen Fall wird die mit dem Elektrolytharz imprägnierte
verstärkte Elektrolytmembran zwischen den beiden Platten überführt.
Es ist ebenso möglich, die oben genannten beiden Schritte
aufeinanderfolgend unter Verwenden einer Platte durchzuführen,
die ein Wärmemittel umfasst und Aussparungen und Vorsprünge
auf ihrer Oberfläche aufweist. In einem solchen Fall werden
die Elektrolytpartikel geschmolzen und es wird ermöglicht, dass
diese die poröse Verstärkungsmembran imprägnieren,
während die Platte in einem erwärmten Zustand
gehalten wird. Dann wird die Platte nach dem Harzimprägnieren überführt,
so dass die verstärkte Elektrolytmembran gepresst wird,
gefolgt von Beenden des Erwärmens und Initiierung des Rückkühlens. Entsprechend
kann eine verstärkte Elektrolyt membran, die Aussparungen
und Vorsprünge auf ihrer Oberfläche aufweist und
die eine poröse Verstärkungsmembran umfasst, erhalten
werden.
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Ebenso
werden in dem Fall des obigen Herstellungsverfahrens, da die aus
einem Vorläuferpolymer für ein Elektrolytpolymer
bestehenden Elektrolytpartikel auf Fluorbasis Wärmestabilität
aufweisen, diese als Elektrolytharzpartikel für das Ausgangsmaterial
verwendet. Wenn nötig, wird ferner ein Schritt durchgeführt,
in dem dem Elektrolytpolymer mittels Hydrolyse oder dergleichen
Ionenaustauscheigenschaften verliehen werden, der dem Schritt des
Bildens der Aussparungen und Vorsprünge auf der Oberfläche
der verstärkten Elektrolytmembran folgt.
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Gemäß der
oben genannten zweiten Erfindung wird wenigstens der Imprägnierschritt
bevorzugt in einer Umgebung mit reduziertem Druck durchgeführt.
Daher wird das Entlüften innerhalb der porösen
Verstärkungsmembran und das Ersetzen der entlüfteten
Räume mit dem geschmolzenen Elektrolyt gefördert.
Entsprechend kann die Zeitdauer für die Elektrolytimprägnierung
der porösen Verstärkungsmembran verkürzt
werden. Zusätzlich kann ein ausreichender Zustand der Imprägnierung
verwirklicht werden. Der Schritt des Pressens der Elektrolytmembran
mit der Platte, die Aussparungen und Vorsprünge auf ihrer
Oberfläche aufweist, so dass Aussparungen und Vorsprünge
auf der Oberfläche der Elektrolytmembran gebildet werden,
kann in einer Umgebung mit reduziertem Druck durchgeführt
werden.
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Zusätzlich
offenbart die vorliegende Anmeldung ferner das folgende Verfahren
als Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit unter
Verwenden einer durch das obige Verfahren hergestellten Brennstoffzellen-Elektrolytmembran: Verfahren
zum Herstellen eines Membran-Elektroden-Laminats, umfassend das
Aufbringen von Elektrodenkatalysatorpartikeln oder einer Mischung
eines Elektrodenkatalysatorharzes und Elektrolytpartikeln auf Fluorbasis
auf die Oberfläche einer Elektrolytmembran, auf welcher
Aussparungen und Vorsprünge vor der Behandlung, bei der
dem Elektrolytpolymer Ionenaustauscheigenschaften verliehen werden, gebildet
wunden, so dass ein Laminat erhalten wird; Erwärmen des
Laminats, so dass die Elektrodenkatalysatorschicht an die Elektrolytmembran
so bindet, dass sie mit derselben vereinigt wird; und Durchführen
einer Behandlung, um dem Elektrolytpolymer Ionenaustauscheigenschaften
zu verleihen.
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In
der obigen Erfindung sind die verwendeten Elektrodenkatalysatorpartikel
herkömmlich bekannte Elektrodenkatalysatorpartikel, in
denen ein Katalysatorbestandteil wie Platin, von einem leitfähigen
Träger wie Kohlenstoff getragen wird. Solche Partikel werden
durch Bilden eines Elektrolytharzes auf Fluorbasis in Elektrolytpartikeln
auf Fluorbasis erhalten. Die Partikelgröße derselben
beträgt bevorzugt 100 μm oder weniger, stärker
bevorzugt ungefähr 0,1 µm bis 50 µm und
am stärksten bevorzugt 1 µm oder weniger.
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Gemäß dem
obigen Verfahren zum Herstellen der Membran-Elektroden-Einheit wird
das gebildete Laminat auf eine Temperatur erwärmt, die
wenigstens ausreicht, um das Elektrolytharz auf Fluorbasis zu schmelzen.
Die Erwärmungstemperatur beträgt ungefähr
200°C bis 270°C. Das Erwärmen kann durch
ein beliebiges Verfahren durchgeführt werden. Dennoch ist
ein Verfahren bevorzugt, worin das obige Laminat zwischen einem
Paar von Wärmeplatten positioniert wird und das Erwärmen
mit der von der von den Wärmeplatten erzeugten Wärme
durchgeführt wird.
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Wenn
ein Elektrolytharz auf Fluorbasis, das eine Elektrolytmembran bildet,
und ein Elektrodenkatalysatorharz aufgebracht werden, werden die
aufgebrachten Elektrolytpartikel auf Fluorbasis durch Erwärmen
geschmolzen. Dann wirkt das geschmolzene Elektrolytharz auf Fluorbasis
als Bindemittel und bindet daher an die aufgebrachten Elektrodenkatalysatorpartikel,
so dass es mit ihnen vereinigt wird. Daher wird eine Membran-Elektroden-Einheit
unter einer Bedingung erhalten, in der eine Elektrolytmembran, die
auf ihrer Oberfläche gebildete Aussparungen und Vorsprünge
aufweist, an eine Elektrodenkatalysatorpartikel umfassende Elektrodenkatalysatorschicht
so gebunden, dass sie mit dieser vereinigt wird, während
es keinen Spalt dazwischen gibt, oder es wenige, wenn überhaupt,
Spalten dazwischen gibt. Dann wird die erhaltene Membran-Elektroden-Einheit
einer Behandlung, wie Hydrolyse, unterzogen, um den Elektrolytpolymer
Ionenaustauscheigenschaften zu verleihen. Das resultierende Membran-Elektroden-Laminat
weist einen erhöhten wirksamen Kontaktbereich zwischen
der Elektrolytschicht und der Elektrodenkatalysatorschicht auf und
weist ferner einen signifikant verminderten Grenzflächenwiderstand
auf. Daher kann ein Membran-Elektroden-Laminat mit hoher Stromerzeugungswirksamkeit und
einer langen Lebensdauer erhalten werden.
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Zusätzlich
ist es offenbar möglich, eine Membran-Elektroden-Einheit
durch Aufbringen einer herkömmlich bekannten Elektrodenkatalysatortinte
auf die durch die vorliegende Erfindung hergestellte Elektrolytmembran,
gefolgt von Trockenen, zu erhalten. In einem solchen Fall ist es
bevorzugt, die Elektrolytmembran der Behandlung, bei der dem Elektrolytpolymer
Ionenaustauscheigenschaften verliehen werden, wie Hydrolyse, vor
Aufbringen der Elektrodenkatalysatortinte zu unterziehen.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung weist die Elektrolytmembran Aussparungen
und Vorsprünge auf ihrer Oberfläche auf, so dass
der wirksame Kontaktbereich zwischen der Oberfläche der
Elektrolytmembran und der Elektrodenkatalysatorschicht erhöht
werden kann. Ferner kann der zwischen der Oberfläche der
Elektrolytmembran und der Elektrodenkatalysatorschicht erzeugte
Grenzflächenwiderstand in der Membran-Elektroden-Einheit
vermindert werden. Daher kann eine Membran-Elektroden-Einheit mit
hoher Stromerzeugungsleistung erhalten werden.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 ist
ein erläuterndes Diagramm einer Ausführungsform
des Verfahrens zum Herstellen einer Brennstoffzellen-Elektrolytmembran
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
ein erläuterndes Diagramm einer anderen Ausführungsform
des Verfahrens zum Erzeugen einer Brennstoffzellen-Elektrolytmembran der
vorliegenden Erfindung.
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3 ist
ein erläuterndes Diagramm einer Ausführungsform
der Herstellung der Mem-bran-Elektroden-Einheit der vorliegenden
Erfindung unter Verwenden der hergestellten Brennstoffzellen-Elektrolytmembran.
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4 zeigt
schematisch eine Ausführungsform einer Brennstoffzelle.
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Erklärung der Bezugszeichen:
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- 1: Elektrolytmembran auf Fluorbasis als Ausgangsmaterial; 2a, 2b:
auf der Elektrolytmembran gebildete Aussparungen und Vorsprünge; 3:
Elektrolytmembran der vorliegenden Erfindung; 3A: verstärkte
Elektrolytmembran der vorliegenden Erfindung; 4: poröse Verstärkungsmembran; 5, 8:
Elektrolytharzpartikel auf Fluorbasis; 6: Laminat; 7:
Elektrodenkatalysatorpartikel; 10a, 10b: Wärmeplatte; 11:
Aussparungen und Vorsprünge einer Wärmeplatte; 12:
Abschirmungswand; 13: Abschirmungsraum; 15: Vakuumpumpe; 21:
Elektrodenkatalysatorschicht; und 20: Membran-Elektroden-Einheit.
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Beste Art zum Ausführen
der Erfindung
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Nachfolgend
wird die Erfindung basierend auf deren Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Die 1 und 2 zeigen
erläuternde Diagramme des Verfahrens zum Herstellen einer
Brennstoffzellen-Elektrolytmembran der vorliegenden Erfindung. 3 ist
ein erläuterndes Diagramm einer Ausführungsform
der Herstellung der Membran-Elektroden-Einheit der vorliegenden
Erfindung unter Verwendung der hergestellten Brennstoffzellen-Elektrolytmembran.
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In
der in 1 gezeigten Ausführungsform wird eine
Elektrolytmembran auf Fluorbasis 1 (Dicke: ungefähr
25 µm bis 70 µm) als Ausgangsmaterial verwendet
(1a). Die Elektrolytmembran 1 wird zwischen
oberen und unteren Wärmeplatten 10a und 10b,
die jeweils Aussparungen und Vorsprünge 11 auf
deren Oberfläche aufweisen, positioniert (1b).
Die Elektrolytmembran 1 wird erwärmt und durch
Senken der Wärmeplatte 10a gepresst (1c).
Die Temperaturen der Wärmeplatten 10a und 10b betragen
bevorzugt ungefähr 170°C bis 300°C.
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Die
Tiefe einer auf jeder der Wärmeplatten 10a und 10b gebildeten
Aussparung (oder die Höhe eines Vorsprungs) beträgt
bevorzugt ungefähr einige Mikrometer bis mehrere zehn Mikrometer.
Zusätzlich können Aussparungen und Vorsprünge
auf einer kontinuierlich gebogenen Oberfläche gebildet
werden oder können mit vielen konkaven Nuten gebildet werden.
Wie in 1 gezeigt können viele säulenförmige
Anteile gebildet werden. Wenn solche Aussparungen und Vorsprünge
auf den Wärmeplatten 10a und 10b gebildet
werden, können die Oberflächenbereiche der Platten
auf die ungefähr vierfache Größe der
Bereiche erhöht werden, als wenn die Platten flache Oberflächen
aufweisen.
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Nach
Aufrechterhalten der Erwärmungs- und Pressbedingungen für
eine gewisse Zeitdauer, wird ein Abkühlen durchgeführt
und dann werden die Platten 10a und 10b geöffnet.
Entsprechend kann, wie schematisch in 1d gezeigt,
die Elektrolytmembran 3 erhalten werden, welche Aussparungen
und Vorsprünge 2a und 2b auf ihrer Oberfläche
aufweist, die durch Überführen der auf jeder Oberfläche
der Wärmeplatten 10a und 10b gebildeten
Aussparungen und Vorsprünge 11, erhalten werden.
Wenn Aussparungen und Vorsprünge 2a und 2b auf
der Oberfläche der Elektrolytmembran 3 gebildet
werden, kann deren wirksamer Oberflächenbereich erhöht werden,
um größer als der der Original-Elektrolytmembran 1 zu
sein. Zusätzlich werden auf der Oberfläche derselben
gebildete Aussparungen und Vorsprünge 2a und 2b durch
Erwärmen und Pressen der Elektrolytmembran auf Fluorbasis 1 gebildet.
Daher werden solche Aussparungen und Vorsprünge in einem
solchen Zustand fixiert.
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Die
in 2 gezeigte Ausführungsform entspricht
dem Fall der Herstellung einer verstärkten Elektrolytmembran 3A.
Hierin wird eine herkömmliche bekannte poröse
PTFE-Membran als poröse Verstärkungsmembran 4 verwendet.
Zunächst werden, wie in 2a gezeigt,
Elektrolytharzpartikel auf Fluorbasis 5, von denen jeder
eine Partikelgröße von ungefähr 0,1 um
bis 50 µm aufweist, auf die Oberfläche der porösen
Verstärkungsmembran 4 aufgebracht, so dass ein
Laminat 6 (Dicke: D1) hergestellt wird. Das Laminat 6 wird
zwischen oberen und unteren Wärmeplatten 10a und 10b positioniert,
von denen jede Aussparungen und Vorsprünge 11 auf
ihren Oberflächen aufweist (2b).
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In
dem obigen Beispiel kann die Position der oberen Wärmeplatte 10a im
Mikrometerbereich durch einen einen Verstellmotor aufweisenden Steuermechanismus
(nicht gezeigt) gesteuert werden. Zusätzlich wird der Raum
zwischen der unteren Wärmeplatte 10b und der oberen
Wärmeplatte 10a mit einer Abschirmungswand 12 bedeckt,
so dass ein Abschirmraum 13 darin gebildet wird. Ferner
wird eine auf dem Anteil der Abschirmwand 12 gebildete Öffnung 14 mit
einer Vakuumpumpe 15 verbunden, so dass der Abschirmraum 13 drucklos
gemacht werden kann.
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Die
oberen und unteren Wärmeplatten 10a und 10b werden
auf eine Temperatur von ungefähr 170°C bis 300°C
erwärmt. Ferner wird die Vakuumpumpe 15 so betrieben,
dass der Abschirmraum 13 innerhalb der Abschirmwand 12 in
einem drucklosen Zustand gehalten wird. Als Ergebnis der Druckherabsetzung
wird die Entlüftung der inneren Poren der porösen
Verstärkungsmembran 4 gefördert. Daher schreitet
die Imprägnierung der Poren mit dem geschmolzenen Elektrolytharz
(unten beschrieben) in einer kürzeren Zeitdauer fort.
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Die
obere Wärmeplatte 10a wird durch Betreiben des
Steuermechanismus gesenkt, bis der Abstand zwischen den oberen und
unteren Wärmeplatten 10a und 10b der
Dicke des Laminats 6 (D1) entspricht. Als Ergebnis kommen
die oberen und unteren Oberflächen des Laminats 6 in
Kontakt mit den Oberflächen der Wärmeplatten 10a bzw. 10b.
Das Erwärmen wird durchgeführt während
ein solcher Zustand des Kontakts aufrechterhalten wird. Nachfolgend
wird die Wärmeplatte 10a mehrere Mikrometer gesenkt
und in einer solchen Position angehalten (2c).
Entsprechend werden die Effekte, die von Unterschieden der Harzoberfläche
herrühren, unterdrückt und Wärmeveränderungen
innerhalb der Harzoberfläche werden ausgeglichen, so dass
die Harzfluidität im Wesentlichen ohne Veränderungen
der Dicke des Laminats 6 verbessert werden kann. Daher imprägnieren
die geschmolzenen Elektrolytharzpartikel auf Fluorbasis 5 die
poröse Verstärkungsmembran 4 einheitlich.
Der Abschirmraum 13 innerhalb der Abschirmwand 12 ist
in einer Umgebung verminderten Drucks und daher wird die Rate der
Imprägnierung mit geschmolzenem Harz beschleunigt. Selbst wenn
sich dieser Raum nicht in einer Umgebung mit reduziertem Druck befindet,
kann die Vakuumpumpe 15 so lange angehalten werden, wie
die Imprägnation mit geschmolzenem Harz gleichmäßig
fortschreitet.
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Nach
der Harzimprägnierung wird die obere Wärmeplatte 10a gesenkt,
bis der obige Abstand D2 entspricht, was der Dicke der Elektrolytmembran 3A (zu
erhalten) entspricht (2d). Daher werden
Aussparungen und Vorsprünge auf der Oberfläche
der Elektrolytmembran durch Überführen der auf
jeder Oberfläche der Wärmeplatten 10a und 10b gebildeten
Aussparungen und Vorsprünge 11 gebildet. Nach Verstreichen
einer gewissen Zeitdauer wird das Erwärmen der oberen und
unteren Wärmeplatten 10a und 10b beendet,
gefolgt von Abkühlen. Dann werden die Wärmeplatten 10a und 10b geöffnet.
Entsprechend kann, wie schematisch in 2e gezeigt, eine
verstärkte Elektrolytmembran erhalten werden, welche Aussparungen
und Vorsprünge 2a und 2b auf ihrer Oberfläche
aufweist, welche durch Überführen der auf jeder
Oberfläche der Wärmeplatten 10a und 10b gebildeten
Aussparungen und Vorsprünge 11 erhalten werden.
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Unter
Verwenden der vorher genannten Elektrolytmembran 3 und
der verstärkten Elektrolytmembran 3A kann eine
Membran-Elektroden-Einheit durch ein herkömmlich bekanntes
Verfahren hergestellt werden. In einem solchen Fall wird, gemäß der vorliegenden
Erfindung, ein Elektrolytharz auf Fluorbasis mit einer guten Wärmestabilität
als Elektrolytharz verwendet. Daher wird die Elektrolytmembran 3 (3A)
einer Behandlung unterzogen, um den Elektrolytpolymer durch ein
herkömmlich bekanntes Verfahren Ionenaustauscheigenschaften
zu verleihen. Die Ionenaustauscheigenschaften werden durch Hydrolyse
oder dergleichen verliehen. Dann wird z. B., wie in 1e als
Beispiel gezeigt, eine Elektrodenkatalysatortinte, die einen Elektrodenkatalysator
wie Platin tragenden Kohlenstoff umfasst, ein Elektrolytharz und
ein Lösungsmittel auf die Elektrolytmembran 3 (3A)
durch ein Siebdruckverfahren oder dergleichen aufgebracht, gefolgt
von Trocknen. So werden eine anodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht 21a und eine
kathodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht 21b gebildet.
Entsprechend kann eine Membran-Elektroden-Einheit 20 erhalten
werden. Hinsichtlich einer solchen Membran-Elektroden-Einheit 20 wird
der effektive Oberflächenbereich der Elektrolytmembran 3 (3A)
erhöht, da Aussparungen und Vorsprünge 2a und 2b auf
der Oberfläche gebildet wurden. Daher ist es möglich,
die wirksamen Kontaktbereiche zwischen der Elektrolytmembran 3 (3A)
und den Elektrodenkatalysatorschichten 21a und 21b zu erhöhen.
Somit kann eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer verbesserten
Stromerzeugungsleistung erhalten werden.
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Ein
anderes Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit
unter Verwenden der obigen Elektrolytmembran 3 und der
verstärkten Elektrolytmembran 3A wird unter Bezugnahme
auf 3 beschrieben. Zusätzlich wird die Elektrolytmembran 3 in
der unten stehenden Erklärung verwendet. Dasselbe gilt
jedoch für die verstärkte Elektrolytmembran 3A.
Zunächst werden Elektrodenkatalysatorpartikel 7 (gezeigt
in 3a1) oder eine Mischung aus Elektrodenkatalysatorpartikeln 7 und Elektrolytpartikeln
auf Fluorbasis 8 (gezeigt in 3a2)
auf die Oberfläche der Elektrolytmembran 3 aufgebracht,
so dass ein Laminat 9 oder 9A mit der Dicke D3
erhalten wird.
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Wie
in 3b gezeigt, wird das Laminat 9 (9A)
zwischen den Wärmeplatten 30a und 30b positioniert,
auf 170°C bis 300°C erwärmt und in dem
erwärmten Zustand gehalten, vorausgesetzt, dass der Abstand
zwischen den Wärmeplatten 30a und 30b als „h"
bezeichnet wird (D3 – mehrere Mikrometer). Daher wird ermöglicht,
dass das Elektrolytharz auf Fluorbasis im Wesentlichen ohne Veränderungen
der Dicke des Laminats geschmolzen wird. Zusätzlich ist in
dem Fall des Laminats 9, das zu schmelzende Elektrolytharz
auf Fluorbasis in einem Anteil der Oberfläche des Elektrolytharzes
auf Fluorbasis enthalten, das die Membran-Elektroden-Einheit 3 bildet. Im
Fall des Laminats 9A ist das zu schmelzende Elektrolytharz
auf Fluorbasis in sowohl dem Anteil auf der Oberfläche
des die Membran-Elektroden-Einheit 3 bildenden Elektrolytharzes
auf Fluorbasis, als auch in dem aufgebrachten Elektrolytpartikeln
auf Fluorbasis 8 enthalten.
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Das
geschmolzene Elektrolytharz auf Fluorbasis wirkt als Bindemittel
und bindet daher so an die aufgebrachten Elektrodenkatalysatorpartikel 7,
dass es mit ihnen vereinigt wird. Entsprechend bindet die Elektrolytmembran 3 (3A)
mit auf ihrer Oberfläche gebildeten Aussparungen und Vorsprüngen
so an die Elektrolytkatalysatorpartikel 7 umfassende Elektrolytkatalysatorschicht,
dass sie damit im Wesentlichen ohne die Anwesenheit einer dazwischenliegenden Grenzfläche
vereinigt wird. Nach Abkühlen werden die Wärmeplatten 30a und 30b geöffnet.
Als Ergebnis kann eine Membran-Elektroden-Einheit 20A erhalten
werden, welche durch Laminieren einer anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 21a und
einer kathodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 21b auf
beide Seiten der Elektrolytmembran 3 (schematisch in 3 gezeigt)
gebildet wird, so dass sie mit ihnen zusammen vereinigt wird. Dann
wird die Membran-Elektroden-Einheit einer Behandlung, wie Hydrolyse,
unterzogen, um dem Elektrolytpolymer Ionenaustauscheigenschaften
zu verleihen.
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Zusammenfassung
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Verfahren zum Herstellen einer
Brennstoffzellen-Elektrolytmembran und Verfahren zum Herstellen einer
Membran-Elektroden-Einheit
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird eine Elektrolytmembran mit Aussparungen
und Vorsprüngen auf ihrer Oberfläche erhalten.
Zusätzlich wird eine Elektrolytmembran umfassende Membran-Elektroden-Einheit,
in der der wirksame Kontaktbereich zwischen der Oberfläche
der Elektrolytmembran und der Elektrodenkatalysatorschicht vergrößert
ist, erhalten. Eine Elektrolytmembran 1, die einen Elektrolyt
auf Fluorbasis umfasst, wird erwärmt und unter Verwenden
der Platten 10a und 10b, von denen jede Aussparungen
und Vorsprünge 11 auf ihrer Oberfläche
aufweist, gepresst, so dass Aussparungen und Vorsprünge 2a und 2b auf
der Oberfläche der Elektrolytmembran 1 gebildet
werden. Nachfolgend wird die Elektrolytmembran einer Behandlung,
wie Hydrolyse, unterzogen, um dem Elektrolytpolymer Ionenaustauscheigenschaften
zu verleihen, so dass die Elektrolytmembran 3 mit Aussparungen
und Vorsprüngen auf ihrer Oberfläche erhalten
wird. Elektrodenkatalysatorschichten 21a und 21b werden
getrennt auf beide Oberflächen der Elektrolytmembran 3 laminiert,
so dass eine Membran-Elektroden-Einheit 20 erhalten wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 9-194609
A [0006]
- - JP 9-180728 A [0006]
- - JP 2005-293923 A [0006]