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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Verbundelektrolytmembran, eine Membranelektrodenanordnung,
eine Brennstoffzelle und Verfahren zur Herstellung selbiger, insbesondere
eine Verbundelektrolytmembran mit zumindest einer Elektrolytschicht,
die aus einem Elektrolyt und einer Verstärkungsschicht
besteht, in welche ein poröses Polymermaterial mit dem
Elektrolyt imprägniert ist, eine Membranelektrodenanordnung,
eine Brennstoffzelle und Verfahren zur Herstellung selbiger.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Festpolymerbrennstoffzellen
mit einer Elektrolytmembran sind für Anwendungen auf beweglichen
Gegenständen, wie zum Beispiel Automobilen, untersucht
worden, da solche Brennstoffzellen bei einer niedrigen Temperatur
betrieben werden können und eine geringe Baugröße
und Gewicht aufweisen. Insbesondere ist das soziale Interesse an
Brennstoffzellenfahrzeugen mit Festpolymerbrennstoffzellen als ökologische
Fahrzeuge bzw. Autos angestiegen.
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Wie
in 14 dargestellt, weist eine Festpolymerbrennstoffzelle
eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 95 als das Hauptstrukturelement
auf. Eine einzelne Brennstoffzelle 90, welche als Einheitszelle
bezeichnet wird, wird durch sandwichartiges Aufnehmen der Membranelektrodenanordnung
zwischen Separatoren 96 mit einem Brenn-(Wasserstoff)-Gasdurchflusskanal
und einem Luft-Gas-Durchflusskanal ausgebildet. Die Membranelektrodenanordnung 95 weist
eine Struktur auf, in welcher eine anodenseitige Elektrode (Anodenkatalysatorschicht) 93a auf
einer Seite einer Elektro lytmembran 91, die eine Ionenaustauschmembran
ist, laminiert ist, und eine kathodenseitige Elektrode (Kathodenkatalysatorschicht) 93b auf
der anderen Seite laminiert ist, und entsprechende Diffusionsschichten 94a, 94b auf
bzw. an der Anodenkatalysatorschicht 93a und der Kathodenkatalysatorschicht 93b aufgebracht
sind.
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Um
die Membranfestigkeit zu gewährleisten, ist die Elektrolytmembran
91 mit
einer Verstärkungsschicht vorgesehen, die aus einem porösen
Polymermaterial, wie zum Beispiel Polytetrafluorethylen (PTFE),
besteht, wobei die Verstärkungsschicht mit einem Elektrolyt
imprägniert ist. Solch eine Verbundelektrolytmembran mit
einer Verstärkungsschicht wird durch ein Gießfilmformverfahren
hergestellt, das durch
13A illustriert
ist und in der japanischen Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 2006-147257
(
JP-A-2006-147257 )
offenbart ist.
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Genauer
gesagt wird zuerst ein Elektrolyt einschließlich eines
Elektrolytpolymers und eine Lösung bzw. ein Lösungsmittel
auf eine Seite eines Trägerfilms 81, der transportiert
bzw. gefördert wird, beschichtet, und das Elektrolyt getrocknet.
Anschließend wird ein Verstärkungsfilm 82,
der aus einem porösen Polymermaterial besteht, auf der
Oberfläche der getrockneten Elektrolytschicht angeordnet.
Das Elektrolyt wird von einer Oberfläche des Verstärkungsfilms 82 in
die porösen Polymermaterialien zumindest durch Aufbringen
eines Drucks auf die Elektrolytschicht und den Verstärkungsfilm 82 in
diesem Anordnungszustand bzw. Aufbringungszustand imprägniert.
Anschließend wird das Elektrolyt auf die andere Oberfläche
des Verstärkungsfilms 82 beschichtet und getrocknet,
wodurch es möglich wird, die Verbundelektrolytmembran 91 herzustellen,
in welcher zumindest die Verstärkungsschicht, die aus dem
porösen Polymermaterial besteht, und das Elektrolyt, das
in die Verstärkungsschicht imprägniert ist, auf
dem Trägerfilm 81 vorgesehen sind.
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In
der Verbundelektrolytmembran 91, die auf obenstehend beschriebene
Weise hergestellt ist, werden zum Beispiel die Anodenkatalysatorschicht 93a und
die Kathodenkatalysatorschicht 93b, die auf dem Trägerfilm 81 ausgebildet
worden sind, wie in 13B dargestellt, unter Verwendung
eines Werkzeugs, und Aufbringen von Hitze und Druck, übertragen,
wobei die Katalysatorschichten 93a, 93b weiter auf
der Oberfläche der Verbundelektrolytmembran 91 ausgebildet
werden.
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In
den obenstehend beschriebenen Gießfilmformverfahren wird
das Elektrolyt jedoch in zwei Oberflächen bzw. Flächen
des Verstärkungsfilms in verschiedenen Prozessen imprägniert.
Daher können verschiedene Filmeigenschaften zwischen den zwei
Oberflächenseiten der Verbundelektrolytmembran auftreten,
obwohl dasselbe Elektrolyt verwendet wird, das ein Elektrolytpolymer
und ein Lösungsmittel enthält, wodurch einheitliche
Eigenschaften schwierig zu erhalten sind.
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Ferner
ist es manchmal schwierig, eine Elektrolytmembran mit einer hochgenauen
einheitlichen Filmstärke zu erhalten, da der Herstellungsprozess Beschichten
des Elektrolyts auf jeder Oberfläche und Trocknen des Lösungsmittels
umfasst. Zudem kann die Position des Verstärkungsfilms
bezüglich des beschichteten Elektrolyts von der gewünschten
Position entsprechend der Genauigkeit der Herstellungsvorrichtung
verschoben werden. Diese Verschiebung bzw. Versetzung tritt insbesondere
einfach in der Anordnung von Anoden- und Kathodenkatalysatorschichten
auf.
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Somit
kann ein mangelhafter Zusammenbau im Zellenherstellungsprozess oder
eine unregelmäßige Verteilung der Brennstoffzellenleistung
während der Leistungserzeugung auftreten, wenn keine einheitlichen
Membraneigenschaften auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran
erhalten werden, und wenn die Dicke bzw. Stärke der Elektrolytmembran und
die Positionen der Katalysatorschichten nicht in den gewünschten
Genauigkeitsbereichen liegen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung sieht eine Verbundelektrolytmembran vor, in welcher die
Einheitlichkeit von Elektrolyteigenschaften in der Membran verbessert
wird, und welche mit einer stabilen bzw. einheitlichen Dimensionsgenauigkeit
hergestellt werden kann, und sieht darüber hinaus eine
Membranelektrodenanordnung, eine Brennstoffzelle und Verfahren zur
Herstellung selbiger vor.
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Ein
Verfahren zur Herstellung einer Verbundelektrolytmembran gemäß des
ersten Aspekts der Erfindung umfasst einen ersten Faltprozess zum
Falten eines Laminats, das durch Laminieren und Integrieren eines
Elektrolytfilms mit einem Elektrolyt als eine Elektrolytschicht
und eines Verstärkungsfilms einschließlich eines
porösen Polymermaterials als ein Verstärkungsfilm
erhalten wird, so dass ein Teil einer Oberfläche des Laminats
auf einem anderen Teil der Oberfläche liegt; einen Imprägnierungsprozess zum
Imprägnieren des Elektrolyts des gefalteten Laminats in
die Verstärkungsschicht; und einen Hydrolyseprozess zum
Hydrolysieren des Elektrolyts, das in das Laminat imprägniert
ist.
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Ferner
kann das Laminat in dem Verfahren zur Herstellung einer Verbundelektrolytmembran
gemäß des ersten Aspekts in dem Laminierungsprozess
durch Erhitzen und Laminieren des Elektrolytfilms und des Verstärkungsfilms
ausgebildet werden.
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Ferner
kann das gefaltete Laminat in dem Verfahren zur Herstellung einer
Verbundelektrolytmembran gemäß des ersten Aspekts
in dem Imprägnierungsprozess erhitzt werden, bis das Elektrolyt gelöst
ist, wobei das Elektrolyt in die Verstärkungsschicht imprägniert
werden kann.
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Mit
dem Verfahren zur Herstellung einer Verbundelektrolytmembran gemäß des
obenstehend beschriebenen Aspekts kann das Laminat einschließlich
der Verstärkungsschicht und der Elektrolytschicht in dem
Laminierungsprozess durch Integrieren des Elektrolytfilms mit dem
Verstärkungsfilm durch Verbinden ausgebildet werden. Ein
Verfahren zum Laminieren der zwei Filme ist nicht besonders beschränkt,
vorausgesetzt, dass das Laminat ausgebildet wird, und ein Teil des
Elektrolytfilms in eine Oberfläche des Verstärkungsfilms
durch Erhitzen und Komprimieren der Elektrolytschicht imprägniert werden
kann.
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Ferner
wird das Laminat in dem ersten Faltprozess so gefaltet, dass ein
Teil einer Oberfläche des Laminats auf einem anderen bzw.
einem anderen Teil der Oberfläche, liegt, das heißt,
Teile der Oberfläche auf der Verstärkungsschichtseite
zumindest auf einander liegen, oder Teile der Oberfläche auf
der Elektrolytschichtseite zumindest aufeinander liegen. In dem
Prozess zum Falten des Laminats können die Oberflächen,
die miteinander in Kontakt gebracht werden, durch Falten, Erhitzen
und Komprimieren verbunden werden. Es ist bevorzugt, dass das Falten
um die Mittelachse des Laminats durchgeführt wird, so dass
sich zwei gleiche Oberflächen gegenüberliegen,
wobei die Anzahl von Faltungen und das Faltverfahren nicht besonders
beschränkt sind, vorausgesetzt, dass die Elektrolyte auf
beiden Oberflächen der Elektrolytmembran homogen sind,
nachdem der untenstehend beschriebene zweite Faltprozess eingebracht
worden ist.
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In
dem Imprägnierungsprozess wird das gefaltete Laminat zumindest
bis dahin erhitzt, wenn das Elektrolyt geschmolzen ist, wobei das
Elektrolyt in die poröse Verstärkungsschicht imprägniert
wird. In dem Imprägnierungsprozess kann eine Komprimierung bzw.
Druckbeaufschlagung zusammen mit einer Erhitzung des Laminats durchgeführt
werden. Als Ergebnis wird ein Elektrolyt eines einzelnen Elektrolytfilms,
der in der Laminierungsstufe bzw. dem Laminierungsschritt bereitgestellt
wird, auf beiden Oberflächen des Laminats angeordnet bzw.
aufgebracht. In dem Hydrolyseprozess kann dem Elektrolyt durch Hydrolysieren
des Elektrolyts, das in das Laminat imprägniert wird, eine
Ionenaustauschfunktion vermittelt werden.
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Mit
solch einem Verfahren zur Herstellung einer Verbundelektrolytmembran
ist es nicht notwendig, drei Filme auf beiden Oberflächen
des Verstärkungsfilms zu positionieren, um den Elektrolytfilm sandwichartig
aufzunehmen. Daher wird die Positionsgenauigkeit verbessert und
die Elektrolytmembranqualität stabilisiert. Ferner kann
ein homogenes Elektrolyt auf beiden Oberflächen der Verbundelektrolytmembran
(Elektrolytmembran) angeordnet bzw. aufgebracht werden, da das Laminat
gefaltet ist und das Elektrolyt auf einen einzelnen Elektrolytfilm
imprägniert ist. Zudem wird auch die Elektrolytmembranstärke
stabilisiert bzw. vereinheitlicht. Somit wird die Einheitlichkeit
der Elektrolyteigenschaften in der Elektrolytmembran verbessert,
eine hochgenaue Elektrolytmembran kann erhalten werden, und die Brennstoffzellenleistung
kann stabilisiert werden.
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Ferner
sind die Form, Stärke, etc. des „Elektrolytfilms” und
des „Verstärkungsfilms”, wie sie in der Beschreibung
der Erfindung bezeichnet werden, nicht besonders beschränkt,
vorausgesetzt, dass sie nach der Laminierung gefaltete werden, wobei
deren Bedeutung bzw. Sinngehalt Membranen, Filme, und dergleichen
umfasst. Der „Verstärkungsfilm”, wie
er hier bezeichnet wird, ist ein Film, der aus einem porösen
Polymermaterial besteht, und die Elektrolytmembran verstärken
soll, wobei die „Verstärkungsschicht” eine
Schicht mit dem porösen Polymermaterial ist, und zumindest
in der Stärkerichtung der Elektrolytmembran die Elektrolytmembran
verstärken soll, wobei deren Bedeutung bzw. Sinngehalt
auch eine Schicht umfasst, die durch Imprägnieren des Polymermaterials
mit dem Elektrolyt erhalten wird, umfasst. Ferner steht die „Verbundelektrolytmembran” für
eine Schicht, die zumindest eine Elektrolytschicht einschließlich
eines Elektrolyts und einer Verstärkungsschicht umfasst,
in welcher ein poröses Polymermaterial mit dem Elektrolyt
imprägniert ist.
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In
dem Verfahren zur Herstellung einer Verbundelektrolytmembran gemäß des
ersten Aspekts kann in dem ersten Faltprozess das Laminat so gefaltet
werden, dass ein Teil einer Oberfläche auf der Elektrolytschichtseite
in dem Laminat auf einem anderen Teil der Oberfläche liegt.
Gemäß des obenstehend beschriebenen Aspekts kann
die Verstärkungsschicht in dem Imprägnierungsprozess
in einen Oberflächenschichtabschnitt nahe der Oberfläche
in Stärkerichtung der Elektrolytmembran aufgebracht sein,
da das Laminat in dem ersten Faltprozess so gefaltet wird, dass
ein Teil einer Oberfläche auf der Elektrolytschichtseite
im Laminat auf einem anderen Teil der Oberfläche liegt,
und die Verstärkungsschichtseite die Elektrolytmembranoberfläche
wird. Als Ergebnis kann die kriechende bzw. schwache Leistung der
Elektrolytmembran im Betrieb der Brennstoffzelle verbessert werden.
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In
dem Verfahren zur Herstellung einer Verbundelektrolytmembran gemäß des
ersten Aspekts kann das Laminat in dem ersten Faltprozess so gefaltet
werden, dass ein Teil einer Oberfläche auf der Verstärkungsschichtseite
in dem Laminat auf einem anderen Teil der Oberfläche liegt.
Gemäß des obenstehend beschriebenen Aspekts, wird
die Elektrolytschicht in dem Imprägnierungsprozess in der
Oberflächenschicht in Stärkerichtung ausgebildet,
und die Position der Verstärkungsschicht stabilisiert,
da das Lami nat in dem ersten Faltprozess so gefaltet wird, dass
ein Teil einer Oberfläche auf der Verstärkungsschichtseite
in dem Laminat auf einem anderen Teil der Oberfläche liegt,
und die Elektrolytschichtseite die Elektrolytmembranoberfläche
wird. Als Ergebnis verbietet bzw. verhindert die Elektrolytschicht
der Oberflächenschicht in der Brennstoffzelle, die mit
der Elektrolytmembran ausgestattet ist, die Verteilung einer Wasserbewegung
in der Oberfläche der Elektrolytmembran während
einer Leistungserzeugung. Darüber hinaus kann eine Adhäsion
der Elektrolytschicht und Katalysatorschicht verbessert, und eine Leistung
stabilisiert werden.
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Als
Elektrolyt (Vorläuferpolymer) gemäß der obenstehend
beschriebenen Ausführungsform kann ein beliebiges geschmolzenes
Polymer verwendet werden, vorausgesetzt, dass es nicht durch Hitze
abgebaut bzw. herabgesetzt ist, und kann nach einer Hydrolyse eine
Ionenaustauschfunktion vermitteln. Beispiele eines Polymers, das
vorteilhaft verwendet werden kann, umfassen ein Perfluor-Protonenaustauschharz
eines Fluoralkyl-Copolymers mit einer Fluoralkylether-Seitenkette
und einer Perfluoralkyl-Hauptkette. Spezifische Beispiele umfassen
Nation (Markenname, hergestellt durch Du Pont Co.), Aciplex (Markenname,
hergestellt durch Asahi Chemical Industry Co., Ltd.), Fremion (Markenname,
hergestellt durch Asahi Glass Co.), und Goaselect (Markenname, hergestellt
durch Japan Gatex Co., Ltd.). Andere Beispiele umfassen Teil-Fluorharze
wie zum Beispiel Polymere einer Trifluorstyrensulfonsäure und
Polymere, die durch Einbringen einer Sulfonsäuregruppe
in Polyfluorvinyliden erhalten werden. Kohlenwasserstoff-Protonenaustauschharze,
in welchen eine Sulfonsäuregruppe in Styren-Divinylbenzencopolymer,
Polymidharze, und dergleichen eingebracht werden, können
ebenso verwendet werden. Die Polymere müssen entsprechend
gemäß der Anwendung oder der Umwelt, in welcher
die Brennstoffzelle verwendet wird, ausgewählt werden,
wobei Perfluorharze, vom Standpunkt des Brennstoffzellenlebens aus
betrachtet, bevorzugt werden.
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Es
ist notwendig, dass sich der Verstärkungsfilm nicht während
der Elektrolytimprägnierung löst bzw. auflöst.
Ein Verstärkungsfilm einschließlich eines Wasser
abweisenden Polymers ist besonders bevorzugt. Der Verstärkungsfilm
einschließlich eines Wasser abweisenden Polymers weist
effektiv zugeführtes Wasser ab, das kondensiert ist, und
sich in der Festpolymerbrennstoffzelle an den Elektrodenreaktionsprodukten
angesammelt hat. Fluorharze wie zum Beispiel Polytetrafluorethylen
(PTFE), Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylencopolymer (FEP), und Tetrafluorethylen-Perfluroalkylvinylethercopolymer (PFA)
sind besonders bevorzugt, da sie eine hohe Wasser abweisende Fähigkeit
aufweisen. Fluorfreie Filme wie zum Beispiel Polyethylenterephthalat,
Polyethylen, Polypropylen und Polymide können ebenso verwendet
werden.
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Wenn
das Laminat in dem Faltprozess wie obenstehend beschrieben so gefaltet
wird, dass ein Teil einer Oberfläche der Verstärkungsschichtseite auf
einem anderen Teil der Oberfläche liegt, können in
dem Verfahren zur Herstellung einer Verbundelektrolytmembran gemäß des
ersten Aspekts, in dem Laminierungsprozess zumindest ein Radikal-Inhibitor,
der Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff zersetzt und die
Erzeugung von Hydroxylradikalen verhindert, und/oder ein Wasser
haltendes bzw. Wasser speicherndes Material auf der Oberfläche
der Verstärkungsschicht aufgebracht werden, nachdem das
Laminat ausgebildet worden ist.
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Ferner,
wenn das Laminat in dem Faltprozess wie obenstehend beschrieben
gefaltet wird, so dass ein Teil einer Oberfläche der Verstärkungsschichtseite
auf einem anderen Teil der Oberfläche liegt, kann in dem
Verfahren zur Herstellung einer Verbundelektrolytmembran gemäß des
ersten Aspekts in dem Laminierungsprozess zumindest ein Radikal-Inhibitor,
der Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff zersetzt und die
Erzeugung von Hydroxylradikalen verhindert, und/oder ein Wasser speicherndes
Material zwischen dem Elektrolytfilm und dem Verstärkungsfilm
aufgebracht werden.
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Gemäß des
obenstehend beschriebenen Aspekts ist zumindest ein Additiv von
dem Radikal-Inhibitor und dem Wasser speicherndes Material sandwichartig
in dem ersten Faltprozess aufgenommen, wobei das Additiv anschließend
dem Elektrolyt in der Mitte der Elektrolytmembran in Stärkerichtung
im Imprägnierungsprozess hinzugefügt wird. Daher
kann das Additiv fixiert werden.
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Als
Ergebnis wird verhindert, dass das Additiv durch die Bewegung von
Wasser während der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle
bewegt oder herausgespült wird. Wenn ein Radikal-Inhibitor verwendet
wird, zersetzt der Radikal-Inhibitor Wasserstoffperoxid, das als
ein Nebenprodukt während der Leistungserzeugung in der
Brennstoffzelle durch die Bewegung von Wasser in der Elektrolytmembran im
Hydrolyseprozess produziert bzw. erzeugt wird, in Wasser und Sauerstoff.
Als Ergebnis kann die Erzeugung von Hydroxylradikalen verhindert
werden, die Elektrolytmembran stabilisiert werden, und deren Zersetzung
verhindert werden. Auf der anderen Seite können das Wasserspeichern
und dessen Diffusionseffekte erhalten werden, und die Verschlechterung der
Brennstoffzellenleistung, die durch die Verschlechterung der Protonenleitfähigkeit
verursacht wird, effektiv verhindert werden, wenn ein Wasser speicherndes
Material aufgebracht wird.
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Der
wie in der Beschreibung der Erfindung bezeichnete Radikal-Inhibitor
ist ein „Material zum Zersetzten von Wasserstoffperoxid,
das als ein Nebenprodukt während einer Leistungserzeugung
in der Brennstoffzelle erzeugt wird, in Wasser und Sauerstoff, und
Verhindern der Erzeugung von Hydroxylradikalen”. Beispiele
hierfür umfassen Oxide von Übergangsmetallen wie
zum Beispiel Cerium, Ruthenium, Silber, Wolfram, Palladium, Rhodium,
Zirkonium, Yttrium, Mangan, Molybdän, Blei, Vanadium und Titanium.
Das Wasser speichernde Material ist nicht besonders beschränkt,
vorausgesetzt, dass es Wasser absorbieren kann. Beispiele hierfür
umfassen Partikel oder Fasern, die aus Wasser absorbierenden Polymermaterialien
wie zum Beispiel Polystyrensulfonsäure und Zellulose bestehen,
und Wasser absorbierende anorganische Materialien wie zum Beispiel Siliziumdioxid
und Titandioxid.
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Solche
Radikal-Inhibitoren und Wasser speichernde Materialien können
einheitlich auf die Oberfläche der Verstärkungsschicht
durch einen Beschichtungsprozess wie zum Beispiel Düsenbeschichtung
(englisch: die coating) oder Sprühen, und einen physikalischen
Aufdampfungsprozess (PVD) wie zum Beispiel Sputtern, aufgebracht
werden. Da der Radikal-Inhibitor und das Wasser speichernde Material
in dem ersten Faltprozess wie obenstehend beschrieben sandwichartig
aufgenommen sind, ist dessen Aufbringungsverfahren nicht besonders
beschränkt, vorausgesetzt, dass sie in der Verstär kungsschicht
in einem bestimmten Grad sandwichartig aufgenommen sind, so dass
sie während des Faltens nicht getrennt werden.
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Wenn
fein pulverisierte Materialien als Radikal-Inhibitor und Wasser
speicherndes Material verwendet werden, ist die Partikelgröße
des fein pulverisierten Materials bevorzugt größer
als die Porengröße der Poren, die in dem Verstärkungsfilm
ausgebildet sind. Mit solch einer Partikelgröße
können die pulverisierten Materialien vorteilhaft sandwichartig
in dem ersten Faltprozess aufgenommen werden.
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Ein
Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung gemäß des
zweiten Aspekts der Erfindung umfasst das Verfahren zur Herstellung
einer Verbundelektrolytmembran gemäß des ersten
Aspekts, wobei in dem Laminierungsprozess eine Anodenkatalysatorschicht
und eine Kathodenkatalysatorschicht auf einer Oberfläche
der Elektrolytschicht aufgebracht sind, nachdem das Laminat ausgebildet
worden ist; und in dem ersten Faltprozess das Laminat so gefaltet
wird, dass die Anodenkatalysatorschicht auf einer Oberfläche
des Laminats aufgebracht ist, und die Kathodenkatalysatorschicht auf
der anderen Oberfläche des Laminats aufgebracht ist.
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Mit
dem Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung gemäß der
obenstehend beschrieben Aufgabe können diese Katalysatorschichten
akkurat bzw. genau aufgebracht werden, da die Anodenkatalysatorschicht
und Kathodenkatalysatorschicht in derselben Oberfläche
aufgebracht sind, in der die Elektrolytschicht in dem Laminat, das
durch den Laminierungsprozess erhalten wird, ausgebildet sind. Als
Ergebnis kann die Verformung dieser gemeinsamen Anordnung der Anodenkatalysatorschicht
und der Kathodenkatalysatorschicht verhindert dort werden, wo die
Genauigkeit der Laminatfaltposition im ersten Faltprozess aufrecht
erhalten wird. Ferner kann die obenstehend beschriebene Diffusionsschicht
aufgebracht werden, nachdem die Katalysatorschichten ausgebildeten worden
sind. Unter Verwendung der Membranelektrodenanordnung, die auf obenstehend
beschriebene Weise hergestellt wird, ist es möglich, das
Auftreten von Anordnungsdefekten, wenn die Membranelektrodenanordnung
in einer Brennstoffzelle angeordnet wird, und das Auftreten einer
ungleichmäßigen Verteilung der Brennstoffzellenleistung
während der Leistungserzeugung, zu verhindern.
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Ein
Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung gemäß des
dritten Aspekts der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer
Verbundelektrolytmembran gemäß des ersten Aspekts,
wobei in dem Laminierungsprozess ein bandförmiges Laminat
ausgebildet wird, und eine Anodenkatalysatorschicht und eine Kathodenkatalysatorschicht
so aufgebracht werden, dass die Anodenkatalysatorschicht und die
Kathodenkatalysatorschicht entlang einer Transversrichtung bzw.
Querrichtung des Laminats auf der Oberfläche der Elektrolytschicht
ausgebildet werden, nachdem das Laminat ausgebildet worden ist;
und in dem ersten Faltprozess das Laminat in einer Longitudinalrichtung bzw.
Längsrichtung so gefaltet wird, dass die Anodenkatalysatorschicht
auf einer Oberfläche des Laminats aufgebracht wird, und
die Kathodenkatalysatorschicht auf der anderen Oberfläche
des Laminats aufgebracht ist.
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In
dem Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung gemäß des
dritten Aspekts der Erfindung können die Anodenkatalysatorschicht
und die Kathodenkatalysatorschicht in dem Laminierungsprozess so
aufgebracht werden, dass eine Mehrzahl der Anodenkatalysatorschichten
und eine Mehrzahl von Kathodenkatalysatorschichten abwechselnd in
Längsrichtung ausgebildet bzw. aufgebracht werden.
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Mit
dem Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung gemäß des
obenstehend beschriebenen Aspekts können diese Katalysatorschichten
ohne Verschiebung genau aufgebracht werden, um die Verbundelektrolytmembran
sandwichartig aufzunehmen, da die Anodenkatalysatorschicht und die
Kathodenkatalysatorschicht entlang der Querrichtung in derselben
Oberfläche ausgebildet sind, in der die Elektrolytschicht
in dem Laminat, das durch den Laminierungsprozess erhalten wird, ausgebildet
worden ist. Als Ergebnis kann die Verformung der gemeinsamen Anordnung
der Anodenkatalysatorschicht und Kathodenkatalysatorschicht vermieden
werden, das Auftreten von Anordnungsdefekten, wenn die Membranelektrodenanordnung
in der Brennstoffzelle angeordnet wird, verhindert werden, und das
Auftreten einer unregelmäßigen bzw. ungleichmäßigen
Verteilung der Leistungserzeugung verhindert werden, dort wo die
Genauigkeit der Laminierungsfaltposition im ersten Faltprozess aufrecht erhalten
wird.
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Ferner
kann eine Mehrzahl von bandförmigen Membranelektrodenanordnungen
gleichzeitig hergestellt werden, da der Faltprozess an das Aufbringen
der Anodenkatalysatorschicht und der Kathodenkatalysatorschicht
so implementiert ist, dass eine Mehrzahl der Anodenkatalysatorschichten
und eine Mehrzahl der Kathodenkatalysatorschichten abwechselnd in
Längsrichtung ausgebildet sind.
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Das
Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung gemäß des
dritten Aspekts kann ferner einen zweiten Faltprozess zum Falten des
Laminats entlang der Querrichtung umfassen, so dass sich die Anodenkatalysatorschicht
und die Kathodenkatalysatorschicht, die an der Anodenkatalysatorschicht
in Längsrichtung angrenzt, nach dem Hydrolyseprozess gegenüberliegen.
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Gemäß der
Erfindung kann über Durchführen des zweiten Formprozesses
bezüglich der bandförmigen Membranelektrodenanordnung,
die durch den obenstehend beschrieben Herstellungsprozess hergestellt
wird, eine einzelne Brennstoffzelle, in welcher die Katalysatorschicht
ohne Verschiebung ausgebildet wird, einfach von einer Membranelektrodenanordnung
erhalten werden, ohne eine Mehrzahl von Membranelektrodenanordnungen
aufeinander zu stapeln (zu laminieren), falls der Separator zwischen den
sich gegenüberliegenden Elektrodenschichten aufgebracht
wird.
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Ferner
ist es möglich, eine Mehrzahl von Anodenkatalysatorschichten
mit Oberflächen in gleicher Richtung auszubilden, und eine
Mehrzahl von Kathodenkatalysatorschichten mit Oberflächen
in gleicher Richtung, die entgegengesetzt der Richtung der Anodenkatalysatorschichten
ist, auszubilden, da eine Mehrzahl der Anodenkatalysatorschichten
oder eine Mehrzahl der Kathodenkatalysatorschichten abwechselnd
in Längsrichtung ausgebildet sind, und daher Kathodenkatalysatorschichten
notwendigerweise an den Anodenkatalysatorschichten angrenzend in
Längsrichtung durch Durchführen des zweiten Faltprozesses
ausgebildet sind. Als Ergebnis kann der Anordnungsfehler der Anodenkatalysatorschicht
und Kathodenkatalysatorschicht in der Membranelektrodenanordnung
im Falle einer Laminierung einer Mehrzahl von Membranelektrodenanordnungen
durch das typische Verfahren zuverlässig verhindert werden.
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Das
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle gemäß des
vierten Aspekts der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung
einer Brennstoffzelle umfassend das Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung
gemäß des dritten Aspekts und kann eine Diffusionsschicht
und einen Separatoraufbringungsprozess zum Aufbringen von Diffusionsschichten
auf eine Oberfläche der Anodenkatalysatorschicht und einer
Oberfläche der Kathodenkatalysatorschicht der Membranelektrodenanordnung
nach dem zweiten Faltprozess umfassen, und Aufbringen eines Separators,
der einen Brenngasdurchflusskanal und einen Sauerstoffgasdurchflusskanal
in dem Separator ausgebildet hat, so dass der Brenngasdurchflusskanal
auf der Anodenkatalysatorschichtseite angeordnet ist, und der Sauerstoffgasdurchflusskanal
an der Kathodenkatalysatorschichtseite zwischen Anodenkatalysatorschicht
und der Kathodenkatalysatorschicht angeordnet ist, welche auf sich
die Diffusionsschichten gegenüberliegend aufweisen.
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Mit
dem Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle gemäß dem
obenstehend beschriebenen Aspekts kann der Separator zum Einbringen
in Richtung der Durchflusslinie in Querrichtung der Membranelektrodenanordnung
nach dem zweiten Faltprozess aufgebracht werden, und eine einzelne Brennstoffzelle
einfach erhalten werden. Somit kann die Anzahl der Produktionsschritte
im Vergleich zu einem typischen Verfahren reduziert werden, in welchem
die Separatoren zwischen einer Mehrzahl von Membranelektrodenanordnungen
aufgebracht werden. Zudem können die Separatoren nach dem
zweiten Faltprozess auf kontinuierliche Weise aufgebracht werden.
Daher kann eine Durchdringung von Unreinheiten in dem Prozess zum
Erhalten einer einzelnen Brennstoffzelle verhindert werden.
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Ferner,
wenn die Diffusionsschicht und der Separator aufgebracht werden,
ist das Aufbringen eines Separators mit einer Diffusionsschicht,
die auf dessen Oberfläche in der Membranelektrodenanordnung
ausgebildet ist, bevorzugt, da die Diffusionsschicht und der Separator
in der Membranelektrodenanordnung gleichzeitig aufgebracht werden
können. Dieses Verfahren ist jedoch nicht beschränkend, da
die Diffusionsschicht und ein Separator auch separat aufgebracht
werden können, vorausgesetzt, dass die Diffu sionsschicht
und der Separator in der Membranelektrodenanordnung aufgebracht
werden können, und eine Brennstoffzelle hergestellt werden kann.
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Ferner
kann das Aufbringen der Katalysatorschicht durch Aufsprühen
des Katalysators durchgeführt werden, wobei es auch möglich
ist, eine Katalysatorschicht auf einem Trägefilm aufzubringen,
und die Katalysatorschicht auf die Elektrolytschicht unter Verwendung
eines Werkzeugs oder einer Beschichtungsdüse (englisch:
coating die) durch Erhitzen und Druckbeaufschlagen bzw. Verdichten
aufzubringen. Dort wo ein Katalysatorschichtionomer als das Vorläuferpolymer
verwendet wird, kann die Membranelektrodenanordnung ohne thermischen
Abbau des Ionomers im nachfolgenden Imprägnierungsprozess vorteilhaft
hergestellt werden. Noch bevorzugter ist es, dass das Elektrolyt,
das in der Katalysatorschicht enthalten ist, ein Vorläufer
eines Fluor – enthaltenden Elektrolyts ist.
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Ferner
können Gasdiffusionsschichten, die typischerweise in Brennstoffzellen
verwendet werden, ohne bestimmte Beschränkungen als Diffusionsschicht
verwendet werden. Beispiele solcher Gasdiffusionsschichten umfassen
Kohlefaserfilme und poröse elektrisch leitfähige
Filme, die als ein Materialbestandteil dienen, der eine elektrisch
leitfähige Substanz als die Hauptkomponente enthält.
Elektrisch leitfähige Partikel wie zum. Beispiel Kohlenstoffpartikel,
können in den Film unter Verwendung eines hydrophoben Harzes
als Bindematerial gebunden sein. Darüber hinaus kann der
Separator entsprechend mit einer Struktur vorgesehen sein, die, zusätzlich
zum darin ausgebildeten Gasdurchflusskanal, Wasser auslässt,
das während einer Leistungserzeugung erzeugt wird, und
eine Zirkulation des Kühlmittels verursacht, um eine Hitzeerzeugung in
der Brennstoffzelle während der Leistungserzeugung zu vermeiden.
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Die
Verbundelektrolytmembran gemäß des fünften
Aspekts der Erfindung weist zumindest eine Elektrolytschicht auf,
welche ein Elektrolyt und einen Verstärkungsfilm umfasst,
in welchem ein poröses Polymermaterial mit dem Elektrolyt
imprägniert ist, wobei die Verbundelektrolytmembran zumindest
eine zusätzliche Schicht bzw. eine Zusatzschicht umfasst, in
welcher zumindest ein Radikal-Inhibitor, der Wasserstoffperoxid
in Wasser und Sauerstoff zersetzt und die Erzeugung von Hydroxylradikalen vermeidet bzw.
verhindert, und/oder ein Wasser speicherndes Material, dem Elektrolyt
hinzugefügt werden; die Verstärkungsschichten
ausgebildet sind, um die Zusatzschicht sandwichartig aufzunehmen;
und die Elektrolytschichten auf der Oberfläche jeder Verstärkungsschicht
ausgebildet sind.
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Die
Verbundelektrolytmembran gemäß des sechsten Aspekts
der Erfindung weist zumindest eine Elektrolytschicht einschließlich
eines Elektrolyts und einer Verstärkungsschicht auf, in
welcher ein poröses Polymermaterial mit dem Elektrolyt
imprägniert ist, wobei die Verbundelektrolytmembran zumindest eine
erste Elektrolytschicht als die Elektrolytschicht umfasst; Zusatzschichten,
welche ausgebildet sind, um die erste Elektrolytschicht sandwichartig
aufzunehmen, und in welchen zumindest ein Radikal-Inhibitor, der
Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff zersetzt und die Erzeugung
von Hydroxylradikalen verhindert, und ein Wasser speicherndes Material zu
dem Elektrolyt hinzugefügt werden; die Verstärkungsschichten
auf den Oberflächen der Zusatzschichten ausgebildet sind;
und zweite Elektrolytschichten als die Elektrolytschicht dienen
und auf den Oberflächen der Verstärkungsschichten
ausgebildet sind.
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Mit
der Verbundelektrolytmembran gemäß des obenstehend
beschriebenen Aspekts ist es durch Ausbilden der Zusatzschicht mit
zumindest einem hinzugefügten Additiv von einem Radikal-Inhibitor
und/oder einem Wasser speichernden Material, wie obenstehend beschrieben,
möglich, die Bewegung dieses Materials und den Durchflussverlust, wenn
sich das Wasser während der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle
bewegt, zu verhindern.
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Die
Verbundelektrolytmembran gemäß des siebten Aspekts
der Erfindung umfasst zumindest ein Paar von einer Anodenkatalysatorschicht
und einer Kathodekatalysatorschicht, die auf beiden Oberflächen
einer Verbundelektrolytmembran aufgebracht sind, in welcher ein
Verstärkungsfilm einschließlich eines porösen
Polymermaterials mit einem Elektrolytfilm einschließlich
eines Elektrolyts imprägniert ist, so dass die Anodenkatalysatorschicht
und die Kathodenkatalysatorschicht die Verbundelektrolytmembran
sandwichartig aufnehmen, wobei die Membranelektrodenanordnung eine
bandförmige Membranelektrodenanordnung ist, und eine Mehrzahl
der Anodenkatalysatorschichten und eine Mehrzahl der Kathodenkatalysatorschichten
abwechselnd in Längsrichtung auf der Oberfläche
der Membranelektrodenanordnung ausgebildet sind.
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Die
Verbundelektrolytmembran gemäß des achten Aspekts
der Erfindung weist zumindest ein Paar von einer Anodenkatalysatorschicht
und einer Kathodenkatalysatorschicht auf, die auf beiden Oberflächen
der Verbundelektrolytmembran gemäß des fünften
Aspekts aufgebracht sind, um die Verbundelektrolytmembran sandwichartig
aufzunehmen, wobei die Membranelektrodenanordnung eine bandförmige
Membranelektrodenanordnung ist, und die Anodenkatalysatorschichten
und die Kathodenkatalysatorschichten abwechselnd in Längsrichtung
auf der Oberfläche der Membranelektrodenanordnung ausgebildet
sind.
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Die
Verbundelektrodenmembran gemäß des neunten Aspekts
der Erfindung weist zumindest ein Paar von einer Anodenkatalysatorschicht
und einer Kathodenkatalysatorschicht auf, die auf beiden Oberflächen
der Verbundelektrolytmembran gemäß des sechsten
Aspekts aufgebracht sind, um die Verbundelektrolytmembran sandwichartig
aufzunehmen, wobei die Membranelektrodenanordnung eine bandförmige
Membranelektrodenanordnung ist, und die Anodenkatalysatorschichten
und die Kathodenkatalysatorschichten abwechselnd in Längsrichtung
auf der Oberfläche der Membranelektrodenanordnung ausgebildet
sind.
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Mit
den Membranelektrodenanordnungen der obenstehend beschriebenen Aspekte
kann die Membranelektrodenanordnung in Querrichtung gefaltet sein,
so dass sich die Anodenkatalysatorschicht und die Kathodenkatalysatorschicht,
die an der Anodenkatalysatorschicht in Längsrichtung angrenzt,
gegenüberliegen, da eine Mehrzahl von Anodenkatalysatorschichten
und eine Mehrzahl von Kathodenkatalysatorschichten auf der Oberfläche
der Membranelektrodenanordnung in Längsrichtung ausgebildet sind.
Die Membranelektrodenanordnung, die auf obenstehend beschriebene
Weise gefaltet ist, hat darin eine Mehrzahl von Anodenkatalysatorschichten mit
der Oberfläche in gleicher Richtung ausgebildet, und eine
Mehrzahl von Kathodenkatalysatorschichten mit der Oberfläche
in gleicher Richtung, entgegengesetzt der Richtung der Anodenkatalysatorschichten,
ausgebildet.
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Die
Membranelektrodenanordnung gemäß des siebten bis
neunten Aspekts kann entlang der Querrichtung gefaltet sein, so
dass sich die Anodenkatalysatorschicht und die Kathodenkatalysatorschicht,
die an der Anodenkatalysatorschicht in Längsrichtung angrenzt,
gegenüberliegen.
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Die
Membranelektrodenanordnung gemäß des obenstehend
beschriebenen Aspekts weist eine Struktur mit einer darin ausgebildeten
Mehrzahl von Anodenkatalysatorschichten mit der Oberfläche
in gleicher Richtung und einer Mehrzahl von Kathodenkatalysatorschichten
mit der Oberfläche in gleicher Richtung, entgegengesetzt
der Richtung der Anodenkatalysatorschichten, auf. Daher ist es durch
Aufbringen einer Diffusionsschicht und eines Separators in dem gefalteten
Abschnitt der Membranelektrodenanordnung möglich, eine
Brennstoffzelle einfach und ohne Anordnungsfehler bzw. Anordnungsdefekte
der Membranelektrodenanordnung, welche typisch für die
des Standes der Technik sind, herzustellen.
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Die
Brennstoffzelle gemäß des zehnten Aspekts der
Erfindung umfasst die Membranelektrodenanordnung gemäß des
neunten Aspekts, die Brennstoffzelle einschließlich der
Membranelektrodenanordnung; Diffusionsschichten, die auf einer Oberfläche
der Anodenkatalysatorschicht und einer Oberfläche der Kathodenkatalysatorschicht
der Membranelektrodenanordnung aufgebracht sind; und einen Separator
mit zumindest einem Brenngasdurchflusskanal auf der Anodenkatalysatorschichtseite
und einem Sauerstoffgasdurchflusskanal bzw. Oxidationsgasdurchflusskanal
auf der Kathodenkatalysatorseite in dem Separator ausgebildet, und
zwischen der Anodenkatalysatorschicht und der Kathodenkatalysatorschicht,
welche auf sich die Diffusionsschichten gegenüberliegend
aufgebracht haben, aufgebracht hat. Gemäß diesem
Aspekt kann die gewünschte Anzahl von Brennstoffzellen
durch Schneiden der Abschnitte erhalten werden, die in Längsrichtung
der Membranelektrodenanordnung gefaltet sind (Abschnitte der Elektrolytmembran,
die individuelle Brennstoffzellen verbinden).
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Gemäß der
Erfindung kann eine Verbundelektrolytmembran einer stabilen Dimensionsgenauigkeit,
in welcher die Einheitlichkeit von Elektrolyteigenschaften in der Membran
verbessert wird, erhalten werden. Darüber hinaus ist es
möglich, eine Membranelektrodenanordnung zu erhalten, in
welcher die Anodenkatalysatorschicht und Kathodenkatalysatorschicht
so ausgebildet sind, um ohne Verschiebung die Verbundelektrolytmembran
auszubilden. Zudem kann die gewünschte Anzahl von Brennstoffzellen,
die keine Verunreinigungen aufweist, einfach erhalten werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die
vorstehenden und/oder weiteren Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile
der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen deutlicher ersichtlich, in welchen gleiche Bezugszeichen
für gleiche Elemente verwendet werden.
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In
den Figuren zeigt:
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1 ein
schematisches Diagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer
Verbundelektrolytmembran einer ersten Ausführungsform der
Erfindung illustriert;
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2 ein
schematisches Diagramm eines Herstellungsapparats zum Einbringen
des Herstellungsverfahrens, das durch 1 illustriert
ist;
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3 ein
schematisches Diagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer
Verbundelektrolytmembran einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung illustriert;
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4 ein
schematisches Diagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer
Verbundelektrolytmembran einer dritten Ausführungsform
der Erfindung illustriert;
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5 ein
schematisches Diagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer
Verbundelektrolytmembran einer vierten Ausführungsform
der Erfindung illustriert;
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6 ein
schematisches Diagramm eines Herstellungsapparats zum Einbringen
des Herstellungsverfahren, das durch 5 illustriert
ist;
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7 ein
schematisches Diagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer
Verbundelektrolytmembran einer fünften Ausführungsform
der Erfindung illustriert;
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8 ein
schematisches Diagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer
Verbundelektrolytmembran einer sechsten Ausführungsform
der Erfindung illustriert;
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9 ein
schematisches Diagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer
Membranelektrodenanordnung einer Ausführungsform der Erfindung
illustriert;
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10 das
zweite Falten der Membranelektrodenanordnung, das in 9 dargestellt
ist;
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11 ein
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle aus der Membranelektrodenanordnung,
die in 10 dargestellt ist;
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12 ein
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle mit einer gewünschten
Anzahl von Einheitszellen aus der Brennstoffzelle, die durch das Verfahren
hergestellt ist, das durch 11 illustriert wird;
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13A ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundelektrolytmembran
durch ein Gießfilmformverfahren anhand des Verfahrens zur
Herstellung einer Verbundelektrolytmembran gemäß des
Standes der Technik;
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13B ein Verfahren zum Ausbilden einer Katalysatorschicht
auf einer Verbundelektrolytmembran durch einen Übertragungsprozess
in dem Verfahren zur Herstellung einer Verbundelektrolytmembran gemäß des
Standes der Technik; und
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14 ein
schematisches Diagramm, das ein Beispiel einer Festpolymerbrennstoffzelle
(einzelne Zelle) des Standes der Technik illustriert.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bestimmte
Ausführungsformen der Erfindung werden untenstehend bezüglich
der beigefügten Figuren beschrieben.
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1 zeigt
ein schematisches Diagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer
Verbundelektrolytmembran (Elektrolytmembran) der ersten Ausführungsform
illustriert, wobei 2 ein schematisches Diagramm
eines Herstellungsapparats zum Einbringen des Herstellungsverfahrens,
das durch 1 illustriert wird, zeigt.
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Wie
in 1 und 2 dargestellt, werden zuerst
ein Film 11, der aus einem bandähnlichen Elektrolyt
(Elektrolytfilm) und einem bandähnlichen Verstärkungsfilm 12 besteht,
der aus einem Polytetrafluorethylen (PCFE) besteht, das ein poröses
Polymermaterial ist, vorbereitet, und ein Laminierungsprozess implementiert.
Genauer gesagt werden in dem Laminierungsprozess der Elektrolytfilm 11 und der
Verstärkungsfilm 12 erhitzt und laminiert und
ein Laminat 10A hergestellt bzw. erzeugt, in welchem der Elektrolytfilm
als eine Elektrolytschicht 11a und der Verstärkungsfilm 12 als
eine Verstärkungsschicht 12a dient.
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Das
Verfahren zum Laminieren der zwei Filme kann durch Einfügen
oder Imprägnieren implementiert werden. Genauer gesagt
ist es wie in 2 dargestellt zum Beispiel durch
Erhitzen und Verdichten des Elektrolytfilms 11 und des
Verstärkungsfilms 12 zusammen zwischen einem Paar
von Rollen 31a, 31b möglich, einen Teil
des Elektrolytfilms in einer Oberfläche des Verstärkungsfilms 12 zu
imprägnieren. Die Temperatur der Erhitzung, die in diesem
Prozess durchgeführt wird, liegt bevorzugt in einem Bereich
von 100°C bis 280°C. Als Ergebnis können
der Elektrolytfilm 11 und der Verstärkungsfilm 12 integriert
sein. Anstelle des Elektrolytfilms 11 kann ein geschmolzenes
Elektrolyt verwendet werden.
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Anschließend
wird das Laminat 10A, das in dem Laminierungsprozess hergestellt
wird, gefaltet. Genauer gesagt wird das Laminat 10A in
dem Mittelabschnitt entlang einer Mittellinie L des Laminats 10A so
gefaltet, das ein Teil einer vorderen Oberfläche des Laminats 10A auf
die Seite der Verstärkungsschicht 12a (Verstärkungsschichtoberfläche)
auf einem anderen Teil der vorderen Oberfläche liegt, wodurch
ein Laminat 10B erzeugt wird.
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Genauer
gesagt, wie in 2 dargestellt, kann das Laminat 10A in
der Mitte des Laminats 10A in dessen Querrichtung durch
Umlenkrollen bzw. Rollen 32a, 32b, die mit V-förmigen
Ausbuchtungen und Wölbungen vorgesehen sind, gefaltet werden,
und entlang der Fließbandrichtung (MB-Richtung) des Laminats 10A rotieren.
Das Laminat 10A, das in die V-ähnliche Form unter
Verwendung der Rollen 33a, 33b deformiert wird,
wird anschließend weiter gefaltet, so dass ein Teil der
Verstärkungsschicht 12A des Laminats 10A auf
einer anderen Verstärkungsschicht liegt und die Oberflächen
der Verstärkungsschicht 12a durch Erhitzen und
Verdichten mit den Rollen 33a, 33b verbunden werden.
Die Temperatur, auf welcher das Laminat 10A in diesem Prozess
erhitzt wird, liegt bevorzugt in einem Bereich von 100°C
bis 280°C.
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Das
Laminat 10B, das im Faltprozess hergestellt wird, wird
durch die Rollen 34a, 34b anschließend
um 90° umgelenkt, wobei das Laminat 10B imprägniert
wird. Genauer gesagt wird das Laminat 10B erhitzt und verdichtet,
bis das Elektrolyt schmilzt, und das Elektrolyt in die Verstärkungsschicht 12a imprägniert
ist, um ein Laminat 10C zu fertigen.
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Genauer
gesagt, wie in 2 dargestellt, kann das Elektrolyt
der Elektrolytschicht 11a auf der Oberfläche des
Laminats 10B in die Poren der porösen Verstär kungsschicht 12A imprägniert
sein, und eine Verstärkungsschicht 12b, die mit
dem Elektrolyt imprägniert ist, kann über das
Erhitzen und Verdichten durch die Rollen 35a, 35b,
die sich entlang der Fließbandrichtung des Laminats 10B rotieren,
erhalten werden. Die Temperatur, auf welche das Laminat 10B in
diesem Prozess erhitzt wird, liegt bevorzugt in einem Bereich von
200°C bis 280°C.
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Das
Laminat 10C, das im Imprägnierungsprozess hergestellt
wird, kann einer Hydrolyse unterliegen, eine Ionenaustauschfunktion
kann dem Laminat 10C vermittelt werden, wobei eine Verbundelektrolytmembran 100A erhalten
werden kann. Wie in 2 dargestellt, kann die Verbundelektrolytmembran 100A nach
dem Hydrolyseprozess getrocknet werden, und die filmähnliche
Verbundelektrolytmembran 100A über eine Aufwickelvorrichtung
aufgewickelt werden (nicht in den Figuren dargestellt).
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Die
dadurch erhaltene Verbundelektrolytmembran 100A wird nur
aus zwei Filmen hergestellt: dem Elektrolytfilm 11 und
dem Verstärkungsfilm 12. Daher können
die Filme einfach miteinander verbunden bzw. ausgerichtet werden,
und die Qualität der Elektrolytmembran wird stabilisiert
bzw. gleichmäßig. Ferner kann das Laminat 10A gefaltet
werden, und das Elektrolyt von einem Elektrolytfilm 11 imprägniert werden.
Als Ergebnis wird das homogene Elektrolyt, das aus demselben Elektrolytfilm 11 besteht,
auf beiden Oberflächen der Verbundelektrolytmembran 11A aufgebracht
sein, wobei auch die Elektrolytmembranstärke stabilisiert
bzw. gleichmäßig wird. Somit ist es möglich,
die Einheitlichkeit von Elektrolyteigenschaften in der Elektrolytmembran
zu verbessern, eine hochgenaue Elektrolytmembran zu erhalten, und
die Leistung der Brennstoffzelle zu stabilisieren.
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Ferner
wird der Faltprozess so durchgeführt, dass ein Teil der
Oberfläche auf der Seite der Verstärkungsschicht 12a (Vestärkungsschichtoberfläche) auf
einer anderen liegt, wobei die Oberfläche auf der Seite
der Elektrolytschicht 11a (Elektrolytoberfläche) die
Vorderfläche bzw. die vordere Oberfläche des Laminats 10B wird.
Daher wird die Elektrolytschicht 11a in den Imprägnierungsprozess
in der Oberflächenschicht in Stärkerichtung ausgebildet,
wobei die Position der Verstärkungsschicht 12a stabilisiert
wird. Als Ergebnis wird die Verteilung der Wasserbewegung in der
Oberfläche der Elektrolytmembran 100a während
der Pulvererzeugung durch die Elektrolytschicht 11a der
Oberflächenschicht in der Brennstoffzelle, die mit der
Elektrolytmembran 100a ausgestattet ist, verhindert. Darüber
hinaus können die Adhäsion der Elektrolytmembran 100a und
die Katalysatorschicht (in den Figuren nicht dargestellt) verbessert
werden, und die Brennstoffzellleistung bzw. Brennstoffzellenperformance
stabilisiert werden.
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Ferner
kann der Laminierungsprozess nur durch Verbinden der zwei Teile
durchgeführt werden, wenn die Verbundelektrolytmembran 100A durch
das Herstellungsverfahren, das in 2 dargestellt
ist, hergestellt wird, und die Betriebe bzw. Operationen von dem
Laminierungsprozess bis zum Hydrolyseprozess können als
kontinuierliches Verfahren implementiert werden. Daher kann der
Prozess vereinfacht, die Qualitätskontrolle eingerichtet,
und die Produktivität verbessert bzw. gesteigert werden.
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3 stellt
eine zweite Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung
der Verbundelektrolytmembran gemäß der Erfindung
dar. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten
Ausführungsform, die durch 1 illustriert
ist, dadurch, dass Katalysatorschichten 13a, 13b aufgebracht sind. 3 illustriert
den Prozess bis dahin, bis die Katalysatorschichten einer Membranelektrodenanordnung
(MEA) 50A ausgebildet sind. Das Herstellungsverfahren der
zweiten Ausführungsform umfasst den obenstehend beschriebenen
Laminierungsprozess, Faltprozess, Imprägnierungsprozess und
Hydrolyseprozess, wobei diese Prozesse mit demselben Bezugszeichen
versehen sind, und auf die detaillierte Beschreibung verzichtet
wird.
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Wie
in 3 dargestellt, werden in dem Laminierungsprozess
ein Elektrolytfilm 11 und ein Verstärkungsfilm 12 verbunden
und laminiert, wobei ein Laminat 10A, das aus einer Elektrolytschicht 11a und einer
Verstärkungsschicht 12a besteht, hergestellt wird.
Eine Anodenkatalysatorschicht 13a und eine Kathodenkatalysatorschicht 13b werden
auf der Oberfläche der Elektrolytschicht 11a aufgebracht, nachdem
das Laminat 10A ausgebildet worden ist, wobei ein Laminat 10D,
das die Katalysatorschichten 13a, 13b darauf ausgebildet
hat, hergestellt wird.
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Genauer
gesagt, können in dem Katalysatoraufbringungsprozess die
Katalysatorschichten 13a, 13b durch Aufblasen
bzw. Aufsprayen des Katalysators mit einem Sprayer bzw. einer Düse
aufgebracht werden, oder die Katalysatorschichten auf einem Trägerfilm
aufgebracht werden, wobei die Katalysatorschichten auf die Elektrolytschicht
durch Erhitzen und Verdichten unter Verwendung eines Werkzeugs oder
einer Beschichtungsdüse anschließend auf das Elektrolyt übertragen
werden können. Der Vorteil der Verwendung eines Katalysatorschichtionomers
als ein Vorläuferpolymer ist der, dass ein thermischer
Ionenabbau bzw. eine thermische Ionenersetzung des Ionomers im nachfolgenden
Imprägnierungsprozess verhindert wird.
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Anschließend
wird das Laminat 10B in dem Faltprozess so gefaltet, dass
die Anodenkatalysatorschicht 13a auf eine Oberfläche
eines Laminats 10B aufgebracht wird, und die Kathodenkatalysatorschicht 13b auf
der anderen Oberfläche des Laminats 10B aufgebracht
wird. Im nachfolgenden Imprägnierungsprozess wird das Elektrolyt
in die Verstärkungsschicht 12a imprägniert,
wobei ein Laminat 10F hergestellt wird. In dem Hydrolyseprozess
wird eine Ionenaustauschfunktion in das Elektrolyt des Laminats 10F vermittelt,
wobei eine Membranelektrodenanordnung 50A, die eine Verbundelektrolytmembran 100B umfasst,
erhalten werden kann.
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Mit
dem obenstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung der Verbundelektrolytmembran 100B und
der Membranelektrodenanordnung 50A werden die Anodenkatalysatorschicht 13a und die
Kathodenkatalysatorschicht 13b in derselben Oberfläche
des Laminats 10A ausgebildet, die in dem Laminierungsprozess
erhalten wird, in dem die Elektrolytschicht 11a ausgebildet
worden ist. Daher können die Katalysatorschichten 13a, 13b genau
positioniert werden. Als Ergebnis ist es möglich, die Verschiebung
der Anodenkatalysatorschicht 13a und Kathodenkatalysatorschicht 13b zu
verhindern, dort wo die Genauigkeit der Faltposition des Laminats 10B in
dem Faltprozess aufrechterhalten werden kann.
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Unter
Verwendung der Membranelektrodenanordnung 50A einschließlich
der Elektrolytmembran 100B, die auf die obenstehend beschriebene
Weise in einer Brennstoffzelle hergestellt wird, ist es möglich,
die Anordnungsdefekte zu verhindern, die auftreten, wenn die Membran
als eine Einheitszelle der Brennstoffzelle angeordnet bzw. zusammengestellt wird,
und die unregelmäßige Verteilung der Brennstoffzellenleistung
während der Leistungserzeugung zu verhindern. Insbesondere
da die Elektrolytschicht 11a der Oberflächenschicht
mit einer guten Stabilität ausgebildet ist, kann die Adhäsion
der Elektrolytschicht 11a und der Katalysatorschichten 13a, 13b verbessert
werden.
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4 illustriert
eine dritte Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung
einer Verbundelektrolytmembran gemäß der Erfindung.
Das Herstellungsverfahren der dritten Ausführungsform unterscheidet sich
von dem der ersten Ausführungsform, die in 1 illustriert
ist, dadurch, dass die Faltrichtung in dem Faltprozess verschieden
ist. Das Herstellungsverfahren der dritten Ausführungsform
umfasst den obenstehend beschriebenen Laminierungsprozess, Imprägnierungsprozess
und Hydrolyseprozess, wobei diese Prozesse mit gleichen Bezugszeichen
versehen werden, und auf deren detaillierte Beschreibung verzichtet
wird.
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Wie
in 4 dargestellt werden in dem Laminierungsprozess
ein Elektrolytfilm 11 und ein Verstärkungsfilm 12 verbunden
und laminiert, wobei ein Laminat 10a, das aus einer Elektrolytschicht 11a und einer
Verstärkungsschicht 12a besteht, hergestellt wird.
Das Laminat 10A, das in dem Laminierungsprozess hergestellt
wird, wird anschließend in einen Faltprozess gegeben. Genauer
gesagt wird das Laminat 10A in den Mittelbereich entlang
einer Mittellinie L des Laminats 10A so gefaltet, dass
ein Teil der vorderen Oberfläche des Laminats 10A auf
der Seite der Elektrolytschicht 11a (Elektrolytschichtoberfläche) auf
einem anderen Teil der vorderen Oberfläche liegt, wodurch
ein Laminat 10G erzeugt wird.
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Anschließend
wird in dem Imprägnierungsprozess das Elektrolyt in die
Verstärkungsschicht 12a imprägniert,
wobei ein Laminat 10H hergestellt wird. Indem Hydrolyseprozess
wird eine Ionenaustauschfunktion in das Elektrolyt des Laminats 10H vermittelt,
wobei eine Verbundelektrolytmembran 100C erhalten werden
kann.
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Mit
den obenstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung der Verbundelektrolytmembran 100C wird
ein Laminat 10A in dem folgenden Prozess so gefaltet, dass
ein Teil der Oberfläche der Elektrolytschicht 11a auf
einer anderen Oberfläche liegt, wobei die Verstärkungsschicht 12a die
Oberfläche der Elektrolytmembran wird. Daher wird eine Elektrolytschicht 11b in
der Mitte der Verbundelektrolytmembran 100C in Stärkerichtung
ausgebildet, wobei eine Verstärkungsschicht 12d,
die mit dem Elektrolyt imprägniert ist, in der Oberflächenschichtposition
nahe der Oberfläche der Elektrolytmembran in Stärkerichtung
aufgebracht sein kann. Als Ergebnis kann eine kriechende bzw. niedrige
Leistung der Elektrolytmembran 100C im Brennstoffzellenbetriebsprozess
verbessert werden.
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5 illustriert
die vierte Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung
der Verbundelektrolytmembran gemäß der Erfindung. 6 zeigt
ein schematisches Diagramm eines Herstellungsapparats zum Implementieren
des Herstellungsverfahrens, das in 5 dargestellt
ist. Das Herstellungsverfahren der vierten Ausführungsform
unterscheidet sich von dem der ersten Ausführungsform dadurch, dass
ein Wasser speicherndes Material nach dem Laminierungsprozess aufgebracht
wird. Das Herstellungsverfahren der vierten Ausführungsform
umfasst den obenstehend beschriebenen Laminierungsprozess, Imprägnierungsprozess
und Hydrolyseprozess, wobei diese Prozesse mit gleichen Bezugszeichen
versehen sind, und auf deren detaillierte Beschreibung verzichtet
wird.
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Wie
in 5 dargestellt, werden in dem Laminierungsprozess
ein Elektrolytfilm 11 und ein Verstärkungsfilm 12 verbunden
und laminiert, wobei ein Laminat 10A, das aus einer Elektrolytschicht 11a und einer
Verstärkungsschicht 12a besteht, hergestellt wird.
In dem nachfolgenden Aufbringungsprozess eines Wasser speichernden
Materials, wird ein Wasser speicherndes Material 14 auf
die Oberfläche der Verstärkungsschicht 12a aufgebracht,
nachdem das Laminat 10a ausgebildet worden ist. Genauer
gesagt wird das Wasser speichernde Material 14 wie in 6 dargestellt
durch einen Beschichtungsprozess wie Düsenbeschichten oder
Sprayen, oder durch Sputtern auf die Oberfläche der Verstärkungsschicht 12a,
beschichtet, so dass das Wasser speichernde Material einheitlich
darauf aufgebracht wird. Somit ist bevorzugt, dass das Wasser speichernde Material stark
gebunden ist, um zu verhindern, dass es sich während des
Faltens ablöst bzw. abtrennt, da das Wasser speichernde
Material sandwichartig zwischen den Verstärkungsschichten
in dem untenstehenden beschriebenen Faltprozess aufgenommen wird,
wenn ein fein pulverisiertes Material als das Wasser speichernde
Material verwendet wird.
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Anschließend
wird das Wasser speichernde Material 14 in dem Faltprozess
sandwichartig zwischen den Verstärkungsschichten 12a aufgenommen,
so dass ein Teil der Oberfläche der Verstärkungsschichtseite
auf einer Anderen liegt, ein Laminat 10I gefaltet wird,
und ein Laminat CJ hergestellt wird. In dem Imprägnierungsprozess
wird das Elektrolyt der Elektrolytschicht 11a in das Wasser
speichernde Material 14 und die Verstärkungsschicht 12a imprägniert,
wobei ein Laminat 10K hergestellt wird. In dem Hydrolyseprozess
wird das Elektrolyt des Laminats 10K hydrolysiert, um eine
Ionenaustauschfunktion darin zu vermitteln, wobei eine Verbundelektrolytmembran 100D erhalten
wird.
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Somit
kann wie in 5 dargestellt eine Verbundelektrolytmembran 100D erhalten
werden, welche zumindest eine Zusatzschicht 14b umfasst,
in welcher das Wasser speichernde Material 14 dem Elektrolyt
als ein Additiv hinzugefügt wird, Verstärkungsschichten 12b,
die ausgebildet sind die Zusatzschicht 14b sandwichartig
aufzunehmen und mit dem Elektrolyt imprägniert sind, und
Elektrolytschichten 11a, die auf der Oberfläche
der Verstärkungsschichten 12b ausgebildet sind,
wobei die vorher erwähnten Schichten in Stärkerichtung
der Membran gestapelt sind.
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In
der Verbundelektrolytmembran 100D, die auf obenstehend
beschriebene Weise hergestellt ist, wird das Wasser speichernde
Material 14 während des Faltens als ein Additiv
sandwichartig aufgenommen, wodurch es möglich wird, das
Wasser speichernde Material in der Mitte der Elektrolytmembran 100D in
Stärkerichtung zu fixieren. Als Ergebnis kann verhindert
werden, dass sich das Wasser speichernde Material 14 sich
aufgrund der Wasserbewegung bewegt, wobei ein Durchflussverlust
während der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle
vermieden bzw. verhindert werden kann. Somit kann eine stabile Protonenleitfähigkeit
gewährleistet werden.
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7 illustriert
die fünfte Ausführungsform des Verfahrens zur
Herstellung der Verbundelektrolytmembran gemäß der
Erfindung. Das Herstellungsverfahren der fünften Ausführungsform
unterscheidet sich von dem der vierten Ausführungsform
durch das Vorhandensein einer Katalysatorschicht in dem Laminierungsprozess.
Das Herstellungsverfahren der fünften Ausführungsform
umfasst den obenstehend beschriebenen Imprägnierungsprozess,
Faltprozess und Hydrolyseprozess, wobei diese Prozesse mit gleichen
Bezugszeichen versehen sind, und auf deren detaillierte Beschreibung
verzichtet wird.
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Wie
in 7 dargestellt, werden in dem Laminierungsprozess
ein Elektrolytfilm 11 und ein Verstärkungsfilm 12 verbunden
und laminiert. Eine Anodenkatalysatorschicht 13a und Kathodenkatalysatorschicht 13b,
die auf einem Trägerfilm 81 aufgebracht sind,
werden von der Oberfläche der anderen Seite des Elektrolytfilms 11 gleichzeitig
aufgebracht, wobei ein Laminat 10L hergestellt wird.
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Anschließend
kann die Membranelektrodenanordnung 50B einschließlich
einer Verbundelektrolytmembran 100E über den Aufbringungsprozess des
Wasser speichernden Materials, den Faltprozess, den Imprägnierungsprozess
und den Hydrolyseprozess erhalten werden. In diesem Fall wird der Trägerfilm 81 nach
dem Imprägnierungsprozess von dem Laminat 10K entfernt,
eine Ionenaustauschfunktion im Elektrolyt des Laminats 10K nach
dem Hydrolyseprozess vermittelt, wobei die Membranelektrodenanordnung 50B einschließlich
der Verbundelektrolytmembran 100E erhalten werden kann.
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Somit
kann ähnlich der zweiten Ausführungsform die Verschiebung
der Anodenkatalysatorschicht 13a und Kathodenkatalysatorschicht 13b vermieden
bzw. verhindert werden, Defekte der Einheitszelle einer Brennstoffzelle
verhindert werden, wobei das Auftreten einer Verteilung der Brennstoffzellenleistung
bzw. einer ungleichmäßigen Brennstoffzellenleistung
während der Leistungserzeugung vermieden werden kann. In
der Verbundelektrolytmembran 100E, die auf obenstehend
beschriebene Weise hergestellt wird, wird das Wasser speichernde Material
in der Mitte der Elektrolytmembran 100E in Stärkerichtung
fixiert. Als Ergebnis kann verhindert werden, dass sich das Wasser
speichernde Material 14 unter dem Effekt einer Wasserbewegung
bewegt, wobei ein Durchflussverlust während der Leistungserzeugung
durch die Brennstoffzelle vermieden werden kann. Demzufolge kann
eine stabile Protonenleitfähigkeit gewährleistet
werden.
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8 illustriert
die sechste Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung
der Verbundelektrolytmembran gemäß der Erfindung.
Das Herstellungsverfahren der sechsten Ausführungsform
unterscheidet sich von dem der vierten Ausführungsform
dadurch, dass ein Wasser speicherndes Material vor dem Laminierungsprozess
aufgebracht wird. Das Herstellungsverfahren der sechsten Ausführungsform
umfasst den obenstehend beschriebenen Imprägnierungsprozess,
Faltprozess, und Hydrolyseprozess, wobei diese Prozesse mit gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet werden, und auf deren detaillierte
Beschreibung verzichtet wird.
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Wie
in 8 dargestellt, wird in dem Laminierungsprozess
zuerst ein Wasser speicherndes Material 14 aufgebracht.
Das Aufbringungsverfahren ist identisch zu dem der obenstehend beschriebenen Ausführungsform.
Anschließend werden in dem Laminierungsprozess ein Elektrolytfilm 11 und
ein Verstärkungsfilm 12 so aufgebracht, dass das
Wasser speichernde Material 14 zwischen dem Elektrolytfilm 11 und
dem Verstärkungsfilm 12 aufgebracht wird. Da das
Verbinden durch Imprägnieren des Elektrolytfilms 11 von
einer Seite des Verstärkungsfilms 12 durchgeführt
wird, wird eine Zusatzschicht 14b, in welcher das Wasser
speichernde Material 14 als ein Additiv zu dem Elektrolyt
hinzugefügt wird, zwischen der Elektrolytschicht 11a und
der Verstärkungsschicht 12a in dem Laminat 10P nach
dem Verbinden ausgebildet. Eine Verbundelektrolytmembran 100F wird
anschließend über den Faltprozess, Imprägnierungsprozess
und Hydrolyseprozess erhalten.
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Somit
kann, wie in 8 dargestellt, eine Verbundelektrolytmembran 100F erhalten
werden, welche zumindest die erste Elektrolytschicht 11a als eine
Elektrolytschicht, Zusatzschichten 14b, in welchen das
Wasser speichernde Material als ein Additiv zu dem Elektrolyt hinzugeführt
wird, und welche die erste Elektrolytschicht 11a sandwichartig
aufnehmen, Verstärkungsschichten 12b, die ausgebildet sind,
die Zusatzschichten 14b sandwichartig aufzunehmen, und
mit dem Elektrolyt imprägniert sind, und zweite Elektrolytschichten 11b,
die auf der Oberfläche der Verstärkungsschicht 12b ausgebildet
sind, umfasst, wobei die vorstehend erwähnten Schichten in
Stärkerichtung der Membran gestapelt sind.
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In
der Verbundelektrolytmembran 100F, die auf obenstehend
beschriebene Weise erhalten wird, wird das Laminat 10A so
gefaltet, dass ein Teil der Oberfläche der Elektrolytschicht 11a auf
einer Anderen liegt, und die Verstärkungsschicht 12a die
Oberfläche der Elektrolytmembran wird. Daher wird die Elektrolytschicht 11a in
der Mitte der Verbundelektrolytmembran 100F in Stärkerichtung
ausgebildet, die Verstärkungsschichten 12b, die
mit dem Elektrolyt imprägniert sind, in dem Oberflächenschichtabschnitt nahe
der Oberfläche der Elektrolytmembran in Stärkerichtung
aufgebracht, wobei die Zusatzschichten in deren Nähe aufgebracht
sein können. Als Ergebnis kann nicht nur die niedrige bzw.
kriechende Leistung der Elektrolytmembran 100F im Brennstoffzellenbetriebsprozess
verbessert werden, sondern auch die Wasserhaltfähigkeit
bzw. Wasserspeicherfähigkeit der Elektrolytmembran 100F.
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9 zeigt
ein schematisches Diagramm, welches das Verfahren zur Herstellung
einer Membranelektrodenanordnung einer Ausführungsform
der Erfindung illustriert, wobei dieses Diagramm dazu dient, den
zweiten Faltprozess zu erklären, der auf die Membranelektrodenanordnung
angewandt wird, dargestellt in 9. Wie in 9 dargestellt,
werden ein Film (Elektrolytfilm) 11, der aus einem bandähnlichen
Elektrolyt besteht, und ein bandähnlicher Verstärkungsfilm 12,
der aus Polytetrafluorethylen (PTFE) besteht, das heißt,
einem porösen Polymermaterial, vorbereitet. Anschließend
werden in dem Laminierungsprozess der Elektrolytfilm 11 und
Verstärkungsfilm 12 erhitzt, komprimiert und laminiert, wobei
ein Laminat 10A erzeugt wird, in welchem der Elektrolytfilm
als Elektrolytschicht 11a dient, und der Verstärkungsfilm 12 als
eine Verstärkungsschicht 12a.
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Eine
Anodenkatalysatorschicht 13a und eine Kathodenkatalysatorschicht 13b werden
anschließend auf der Oberfläche der Elektrolytschicht 11a aufgebracht,
nach dem das Laminat 10A ausgebildet worden ist, wobei ein
Laminat 10D, welches die Katalysatorschichten 13a, 13b auf
sich ausgebildet aufweist, hergestellt wird.
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Genauer
gesagt werden in dem Katalysatoraufbringungsprozess zwei Reihen
bzw. Schichten von Anodenkatalysatorschichten 13a und Kathodenkatalysatorschichten 13b entlang
der Querrichtung S des Laminats 10A auf der Oberfläche
der Elektrolytschicht 11a ausgebildet, nachdem das Laminat 10A ausgebildet
worden ist. Ferner werden die Anodenkatalysatorschicht 13a und
die Kathodenkatalysatorschicht 13b ebenso entlang der Längsrichtung (Fließbandrichtung)
L aufgebracht, so dass eine Mehrzahl von Anodenkatalysatorschichten 13a und eine
Mehrzahl von Kathodenkatalysatorschichten 13b abwechselnd
ausgebildet werden (anders gesagt, so dass die zwei Reihen bzw.
Schichten von Anodenkatalysatorschichten 13a und Kathodenkatalysatorschichten 13b diagonal
ausgebildet werden), wobei diese Schichten durch Verdichten und
zusätzliches Erhitzen auf eine Temperatur gleich oder niedriger
als 170°C fixiert werden.
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Auf
die gleiche Weise wie in der zweiten Ausführungsform kann
das Aufbringen der Katalysatorschichten 13a, 13b durch
Blasen mit einem Sprayer, durch Bereitstellen eines Trägerfilms
oder unter Verwendung einer Übertragung mit einem Werkzeug oder
einer Beschichtungsdüse durchgeführt werden, wobei
das Aufbringungsverfahren nicht besonders beschränkt ist,
vorausgesetzt, dass eine Mehrzahl von Katalysatorschichten 13a, 13b auf
obenstehend beschriebene Weise auf der gewünschten Oberfläche
der Elektrolytschicht 11a aufgebracht werden kann.
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Anschließend
wird das Laminat 10D in dem Faltprozess auf die gleiche
Weise wie in den obenstehend beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen
entlang der Längsrichtung L so in den Mittelabschnitt des
Laminats 10D gefaltet, dass die Anodenkatalysatorschicht 13a auf
einer Oberfläche des Laminats 10E aufgebracht
wird, und die Katalysatorschichten 13b auf der anderen
Oberfläche des Laminats 10E aufgebracht wird (die
Anodenkatalysatorschicht 13a und Katalysatorschicht 13b werden
aufgebracht, um das Laminat 10E (Verbundelektrolytmembran)
sandwichartig aufzunehmen). Anschließend wird das Elektrolyt
in dem Imprägnierungsprozess in die Verstärkungsschicht 12a imprägniert,
wobei ein Laminat 10F hergestellt wird. In dem Hydrolysepro zess
wird dem Elektrolyt des Laminats 10F eine Ionenaustauschfunktion
vermittelt, wobei eine Membranelektrodenanordnung 50C einschließlich
einer Verbundelektrolytmembran 100E erhalten werden kann.
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Da
die Anodenkatalysatorschicht 13a und die Kathodenkatalysatorschicht 13b entlang
der Querrichtung S in derselben Oberfläche ausgebildet sind,
in welcher die Elektrolytschicht 11a des Laminats nach
dem Laminierungsprozess ausgebildet worden ist, können
diese Katalysatorschichten 13a, 13b ohne Verschiebung
genau aufgebracht werden, um die Verbundelektrolytmembran 100B sandwichartig
aufzunehmen. Als Ergebnis kann die Verformung, dort wo die Faltpositionsgenauigkeit
des Laminats 10E in dem Faltprozess aufrecht erhalten wird,
einer gemeinsamen Anordnung der Anodenkatalysatorschicht 13a und
der Katalysatorschicht 13b vermieden werden, die Anordnungsdefekte,
die in der untenstehend beschriebenen Anordnung in einer Brennstoffzelle 1 auftreten,
verhindert werden, wobei die Verteilung der Leistung während
der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 1 vermieden
bzw. verhindert werden kann.
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Die
Membranelektrodenanordnung 50C ist eine bandförmige
Membranelektrodenanordnung, und da eine Mehrzahl von Anodenkatalysatorschichten 13a und
eine Mehrzahl von Kathodenkatalysatorschichten 13b abwechselnd
entlang der Längsrichtung auf der Oberfläche der
Membranelektrodenanordnung 50C ausgebildet sind, kann eine
Brennstoffzelle durch untenstehend beschriebenen Faltprozess einfach
hergestellt werden.
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Die
Membranelektrodenanordnung 50C wird anschließend
ein zweites Mal gefaltet. Genauer gesagt wird die Membranelektrodenanordnung 50,
wie in 10 dargestellt, in dem zweiten
Faltprozess, der nach dem Hydrolyseprozess durchgeführt
wird, entlang der Querrichtung S (entlang C1-C1, C2-C2, ... in den
Figuren) so gefaltet, dass die Anodenkatalysatorschicht 13a und
die Kathodenkatalysatorschicht 13b an der Anodenkatalysatorschicht 13a in Längsrichtung
L angrenzend gegenüberliegen.
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Solch
ein Falten kann z. B. durch Bereitstellen eines Faltwerkzeugs durchgeführt
werden, das eine Stärke aufweist, die das Einführen
des untenstehend beschriebenen Separators ermöglicht, das Pressen
eines distalen Endes des Faltwerkzeugs entlang der Querrichtung
S, und das Falten, wobei das Faltverfahren nicht besonders beschränkt
ist, vorausgesetzt, dass das Falten so durchgeführt werden kann,
dass die Katalysatorschichten 13a, 13b in Längsrichtung
L angrenzend gegenüberliegen.
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Dort
wo der zweite Faltprozess auf die obenstehend beschriebene Weise
durchgeführt wird, können einzelne Zellen der
Brennstoffzelle, in welcher die Katalysatorschichten 13a, 13b ohne
Verformung ausgebildet sind, einfach von bzw. durch eine kontinuierliche
Membranelektrodenanordnung 50C erzeugt bzw. hergestellt
werden, ohne eine Mehrzahl von Membranelektrodenanordnungen zu laminieren, falls
der untenstehend beschriebene Separator oder dergleichen zwischen
diesen gegenüberliegenden Katalysatorschichten 13a, 13b aufgebracht
ist.
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Ferner
bildet der zweite Faltprozess eine Mehrzahl von Anodenkatalysatorschichten 13a mit Oberflächen
in gleicher Richtung (Oberflächen, die in Kontakt mit einer
Diffusionsschicht 15 stehen) und eine Mehrzahl von Kathodenkatalysatorschichten 13b,
mit Oberflächen in gleicher Richtung (Oberflächen,
die in Kontakt mit einer Diffusionsschicht 15 stehen) entgegengesetzt
der vorstehend erwähnten Richtung, aus, da eine Mehrzahl
von Anodenkatalysatorschichten 13a und eine Mehrzahl von
Kathodenkatalysatorschichten 13b abwechselnd entlang der
Längsrichtung L ausgebildet sind, und die Kathodenkatalysatorschicht 13b immer
in der Schicht ausgebildet ist, die an der Anodenkatalysatorschicht 13a in
Längsrichtung L angrenzt. Als Ergebnis können Fehler
in der Anordnung der Anodenkatalysatorschichten und der Kathodenkatalysatorschichten
einer Membranelektrodenanordnung, welche beim Laminieren einer Mehrzahl
von Membranelektrodenanordnungen durch ein typisches Verfahren auftreten können,
verhindert werden.
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Ein
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle unter Verwendung
der Membranelektrodenanordnung, die auf obenstehend beschriebene Weise
hergestellt wird, wird untenstehend beschrieben. 11 illustriert
ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle der Membranelektrodenanordnung 50C,
dargestellt in 10.
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In
der vorliegenden Ausführungsform umfasst das Verfahren
zur Herstellung einer Brennstoffzelle einen Prozess zum Aufbringen
einer Diffusionsschicht 15 auf die Oberfläche
der Anodenkatalysatorschicht 13a und der Kathodenkatalysatorschicht 13b der
Membranelektrodenanordnung 50C nach dem zweiten Faltprozess,
und ein anschließendes Aufbringen eines Separators 60,
der in sich einen Brenngasdurchflusskanal 61 und einen
Oxidationsgasdurchflusskanal 62 zwischen der Anodenkatalysatorschicht 13a und
der Kathodenkatalysatorschicht 13b ausgebildet hat, welche
auf sich die Diffusionsschichten gegenüberliegend aufgebracht
haben.
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Genauer
gesagt ist der Separator 60 vorgesehen, in welchem der
Brenngasdurchflusskanal 61 und der Oxidationsgasdurchflusskanal 62 vorgesehen
sind. Anschließend wird die Diffusionsschicht 15 zum
Aufbringen auf die Oberfläche der Anodenkatalysatorschicht 13a und
die Kathodenkatalysatorschicht 13b auf beiden Oberflächen
des Separators 60 aufgebracht. Ein Teil 63, das
die Membranelektrodenanordnung 50C abdichtet und daran
haftet, wird anschließend an beiden Enden des Separators 60 in Längsrichtung
angebracht.
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Der
Separator 60, welcher die Diffusionsschicht 15 und
das Dichtungsmittel 63 angebracht hat, wird in Richtung
des Faltabschnitts der Membranelektrodenanordnung 50C so
eingebracht, dass die Diffusionsschichten 15 auf der Anodenkatalysatorschicht 13a und
Kathodenkatalysatorschicht 13b der Membranelektrodenanordnung 50C positioniert sind.
Als Ergebnis werden laminierte Elektroden durch sandwichartiges
Aufnehmen der Diffusionsschichten 15 und des Separators 60 auf
der oberen Oberfläche der entgegengesetzten bzw. sich gegenüberliegenden
Kathodenkatalysatorschicht 13a, 13b der Membranelektrodenanordnung 50C ausgebildet, wobei
ein anschließendes Erhitzen und Verdichten in Stärkerichtung
die Brennstoffzelle 1 erzeugt bzw. herstellt, in welcher
eine Mehrzahl von Einheitszellen gestapelt sind.
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Mit
dem obenstehend beschriebenen Prozess kann die Anzahl der Operationen
bzw. Betriebsschritte reduziert werden, im Vergleich zu einem typischen
Verfahren, in welchem Separatoren zwischen einer Mehrzahl von Membranelektrodenanordnungen
aufgebracht sind, und da der Separator auf kontinuierliche Weise
nach dem zweiten Faltprozess aufgebracht werden kann, wobei die
Durchdringung einer Verunreinigung in dem Prozess zum Formen der Einheitszellen
der Brennstoffzelle 1 vermieden bzw. verhindert werden
kann.
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12 illustriert
ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle einschließlich
der gewünschten Anzahl von Einheitszellen der Brennstoffzelle,
welche durch das in 11 dargestellte Herstellungsverfahren
hergestellt wird. Wie in 12 dargestellt,
sind in der Brennstoffzelle 1, welche durch das in 11 dargestellte
Herstellungsverfahren hergestellt wird, Brennstoffzellen, welche
aus einer Mehrzahl von Einheitszellen bestehen, durch Elektrolytmembranen
in einem Isolationszustand miteinander verbunden. Daher können
Brennstoffzellen 1A, 1B, die aus einer erforderlichen
Anzahl von Einheitszellen bestehen, wie in 11 dargestellt,
in einem modularen Zustand (von mehreren Einheitszellen bis zu mehreren
hunderten Einheitszellen), durch Schneiden der Elektrolytmembran
in Verbindungsabschnitte, ohne Anordnungsfehler in der gemeinsamen
Anordnung der Ausrichtungen (Anoden-/Kathodenoberflächenausrichtung),
welche während der Zellenlaminierung erstellt werden, erhalten
werden.
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Die
Ausführungsformen der Verbundelektrolytmembran, der Membranelektrodenanordnung
und der Brennstoffzelle gemäß der Erfindung, und
die Verfahren zur Herstellung selbiger, werden obenstehend beschrieben,
wobei die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt
ist, und wobei verschiedene Design-Modifikationen erstellt werden können,
ohne dabei vom Kern der Erfindung, welcher in den beigefügten
Ansprüchen beschrieben wird, abzuweichen.
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Zum
Beispiel wird in den vierten bis sechsten Ausführungsformen
ein Wasser speicherndes Material als das Additiv verwendet, wobei
auch ein Radikal-Inhibitor, welcher aus einem Oxid eines Übertragungsmetalls,
wie zum Beispiel Cerium, besteht, verwendet werden kann, um Wasserstoffperoxid,
welches als Nebenprodukt während der Leistungserzeugung
in der Brennstoffzelle erzeugt wird, in Wasser und Sauerstoff zu
zersetzen, und das Auftreten der Hydroxylradikale zu vermeiden bzw.
zu verhindern.
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Ferner
können in den Verbundelektrolytmembranen, welche in der
ersten bis sechsten Ausführungsform hergestellt werden,
die Faltendabschnitte, welche als Falterlaubnis dienen, und in dem
Faltprozess ausgebildet werden, mit einer Schneide oder dergleichen
abgeschnitten werden.
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In
der zweiten bis zur fünften Ausführungsform sind
die Katalysatorschichten zusätzlich aufgebracht, wobei
nicht erwähnt werden muss, dass eine Brennstoffzelle durch
zusätzliches Aufbringen einer Diffusionsschicht und eines
Separators, wie in 14 dargestellt, auf den Katalysatorschichten
erhalten werden kann.
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Ferner
wird in der Ausführungsform, welche in 11 dargestellt
ist, der Separator, welcher eine Diffusionsschicht auf seiner Oberfläche
ausgebildet hat, in die Membranelektrodenanordnung durch Einbringen
in den gefalteten Abschnitt der Membranelektrodenanordnung aufgebracht,
wenn die Diffusionsschicht und der Separator aufgebracht werden, wobei
dieses Verfahren nicht beschränkend ist, und die Diffusionsschicht
und der Separator auch separat aufgebracht werden können,
vorausgesetzt, dass die Diffusionsschicht und der Separator in die
Membranelektrodenanordnung aufgebracht werden können, und
eine Brennstoffzelle hergestellt werden kann. Ferner werden in der
vorliegenden Ausführungsform die Katalysatorschichten nach
dem Laminierungsprozess aufgebracht, wobei die Anodenkatalysatorschicht
und Kathodenkatalysatorschicht auch auf der Diffusionsschicht aufgebracht
werden können, welche auf dem Separator aufgebracht ist,
ohne dabei die Katalysatorschichten auf der Elektrolytmembran aufzubringen,
vorausgesetzt, dass die Anodenkatalysatorschicht und die Kathodenkatalysatorschicht
akkurat bzw. genau aufgebracht werden können.
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Darüber
hinaus wird in der Ausführungsform, welche in den 9 bis 12 dargestellt
ist, ein Additiv wie z. B. das Wasser speichernde Mittel und ein
Radikal-Inhibitor nicht in der Verbundelektrolytmembran aufgebracht,
wobei ein Additiv, wie z. B. ein Wasser speicherndes Mittel und
ein Radikal-Inhibitor, auch wie in dem Verfahren in der vierten
bis zur sechsten Ausführungsform dargestellt, welche in
den 5, 7 und 8 illustriert
werden, in der Verbundelektrolytmembran aufgebracht werden können.
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Während
die Erfindung bezüglich der beispielhaften Ausführungsformen
beschrieben worden ist, sollte beachtet werden, dass die Erfindung
nicht auf die beispielhaften Ausführungsformen oder Ausgestaltungen
beschränkt ist. Vielmehr soll die Erfindung verschiedene
Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken. Zudem,
während die verschiedenen Elemente der beispielhaften Ausführungsformen
in verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen dargestellt sind,
welche als Beispiele zu verstehen sind, können auch andere
Kombinationen und Konfigurationen, einschließlich mehr
oder weniger eines einzelnen Elements, im Sinne und Umfang der Erfindung
betrachtet werden.
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Zusammenfassung
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Verbundelektrolytmembran, Membranelektrodenanordnung,
Brennstoffzelle und Verfahren zur Herstellung selbiger
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Ein
Verfahren zur Herstellung einer Verbundelektrolytmembran mit: einem
ersten Faltprozess zum Falten eines Lamiats (10A), das
durch Laminieren erhalten wird und Integrieren bzw. Einbringen eines
Elektrolytfilms (11) mit einem Elektrolyt als eine Elektrolytschicht
und einem Verstärkungsfilm (12) mit einem porösen
Polymermaterial als eine Verstärkungsschicht, so dass ein
Teil einer Oberfläche des Laminats (10A) auf einem
anderen Teil der Oberfläche liegt; einem Imprägnierungsprozess
zum Imprägnieren des Elektrolyts des gefalteten Laminats (10B)
in die Verstärkungsschicht; und einem Hydrolyseprozess
zum Hydrolysieren des Elektrolyts, das in das Laminat (10C)
imprägniert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2006-147257
A [0004]