DE112009002199T5 - Herstellungsverfahren für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle und durch das Verfahren hergestellte Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle - Google Patents

Herstellungsverfahren für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle und durch das Verfahren hergestellte Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle Download PDF

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Abstract

Herstellungsverfahren für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die eine Elektrolytmembran, eine Katalysatorschicht und eine Schutzschicht umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren beinhaltet: Ausbilden einer aus einer dünnen Folie bestehenden Schutzschicht in Form eines Bilderrahmens durch Aufbringen eines Harzmaterials auf einen Außenkantenbereich der Elektrolytmembran durch ein Tintenstrahlverfahren.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (die nachstehend mit „PEBZ” abgekürzt wird) und die PEBZ. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine PEBZ, die eine Schutzschicht in einem Einheitszellen-Strukturkörper aufweist, und die PEBZ.
  • 2. Beschreibung des einschlägigen Stands der Technik
  • Im Allgemeinen können PEBZ grob in zwei Arten eingeteilt werden, d. h. eine Einheit der ersten Art, bei der es sich um eine Basiseinheit handelt, die eine Elektrolytmembran, einen Anodenkatalysatorschicht und eine Kathodenkatalysatorschicht, die die Elektrolytmembran beidseitig umgeben, und einen Anodendiffusionsschicht und eine Kathodendiffusionsschicht umfasst, die auf einer äußeren Seite der Anodenkatalysatorschicht bzw. einer äußeren Seite der Kathodenkatalysatorschicht angeordnet sind, und eine Einheit der zweiten Art, bei der es sich um eine gewerblich genutzte praktischere Einheit handelt, die eine Membranelektrodenanordnung (die nachstehend als „MEA” bezeichnet wird) aufweist, in der eine Elektrolytmembran und Katalysatorschichten, die die Elektrolytmembran beidseitig umgeben, integriert sind, und die Diffusionsschichten umfasst, die auf äußeren Seiten der Katalysatorschichten angeordnet sind, so dass sie die MEA beidseitig umgeben. Anschließend wird eine Schichtstruktur, die die Bestandteile der Einheit der ersten oder der zweiten Art beinhaltet, einem Warmpressvorgang unterzogen, so dass die Bestandteile zusammengefügt werden. Demzufolge wird ein Abschnitt hergestellt, der einem Einheitszellen-Strukturkörper entspricht.
  • Bei der Einheit der zweiten Art (die eine MEA umfasst) kann z. B., wenn kein Träger für die Elektrolytmembran auf der Innenseite des Gassperrelements (Schutzschicht), das einen Außenkantenbereich der MEA in der Art eines Bilderrahmens umgibt, vorgesehen ist, die Druckdifferenz des Brenngases oder des Oxidationsgases in manchen Fällen einen Außenkantenbereich der MEA infolge einer Beanspruchung eines Bestandteils zerstören, die durch thermische oder mechanische Spannungen hervorgerufen wird, die durch eine Variation der Feuchtigkeit verursacht werden.
  • Die japanische Patentschrift 3368907 offenbart einen Strukturkörper 50 (der einer Hälfte eines Einheitszellen-Strukturkörpers entspricht und daher als „Halbzellen-Strukturkörper 50” bezeichnet wird), der aus in der explodierten Ansicht in 4A gezeigten Bestandteilen hergestellt ist und der Beschädigungen der Elektrolytmembran verhindern kann, die durch eine Druckdifferenz oder mechanische Spannungen, die auf die Elektrolytmembran einwirken, hervorgerufen werden. Dieser Halbzellen-Strukturkörper 50 wird durch Aufeinanderschichten einer Elektrolytmembran 1 und einer Trägermembran 4 und Aufeinanderschichten einer separat ausgebildeten Schutzschicht 2 in Form eines Bilderrahmens und einem Außenkantenbereich 1E (der einen Bereich der Elektrolytmembran 1 in Form eines Bilderrahmens zwischen dem Endabschnitt und einer imaginären gestrichelten Linie S umfasst) einer Oberfläche 1S der Elektrolytmembran und Anordnen einer Katalysatorschicht (Katalysatorelektrodenabschnitt) 3 auf der Bilderrahmen-Schutzschicht 2 und Integrieren des so geschichteten Körpers durch Warmpressen hergestellt.
  • Darüber hinaus offenbart die japanische Patentschrift 3368907 ebenfalls eine Harzschicht auf Fluorbasis mit einer Dicke von 25 μm als eine Membran, die der Schutzschicht 2 entspricht. In dem Fall, wo die Schutzschicht 2 eine dicke Membran ist, wird, wenn die Schutzschicht 2 in Form eines Bilderrahmens mit einer Dicke von 25 μm auf die Elektrolytmembran 1 warmgepresst wird, zwischen der Schutzschicht 2 und der Elektrolytmembran 1 eine große Abstufung ausgebildet, so dass in dem äußeren Endabschnitt der Katalysatorschicht 3 Aufwerfungen entstehen und eine Kriechverformung der Elektrolytmembran 1 bewirkt wird. Somit ist die Gewährleistung der Betriebssicherheit der Brennstoffzelle nicht mehr möglich.
  • Daneben ist in der japanischen Patentschrift 3690682 ein Beispiel offenbart, in dem ein synthetisches Harz verwendet wird, das bei einer Verarbeitungstemperatur, bei der die Schutzschicht 2 in Form eines Bilderrahmens warmgepresst wird, schmilzt, wie z. B. Polyethylen oder ein Ethylenvinylacetat-Copolymerharz. Während aber ein Hochtemperaturbetrieb wünschenswert ist, um eine Verringerung der Abmessungen und Verbesserung der Leistung eines Brennstoffzellensystems zu erreichen, kann die Betriebssicherheit der Brennstoffzelle nicht durch ein Polyethylen-Material gewährleistet werden, dessen thermische Verformungstemperatur oder Dauerbetriebstemperatur 100°C oder weniger beträgt. Die japanische Patentanmeldungsveröffentlichung 2007-66766 ( JP-A-2007-66766 ) offenbart, dass ein Heißkleber, wie z. B. ein Acrylklebstoff, ein Klebstoff auf Olefinbasis etc., als Dichtung der Kante (die einem Schutzschichtabschnitt entspricht) verwendet wird. Da jedoch der Heißkleber die Eigenschaft hat, bei einer bestimmten Temperatur zu schmelzen, wird die thermische Verformungstemperatur oder Dauerbetriebstemperatur reduziert, so dass die Betriebssicherheit der Brennstoffzelle nicht wie in dem vorstehenden Fall eines Polyethylenmaterials gewährleistet werden kann.
  • Kurzfassung der Erfindung
  • Dementsprechend stellt die Erfindung eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEBZ) bereit, die das Auftreten von Verwerfungen in einem äußeren Endabschnitt einer Katalysatorschicht sowie auch eine Kriechverformung einer Elektrolytmembran verhindert, wobei die Erfindung daher Betriebssicherheit gewährleistet und außerdem ein Herstellungsverfahren für die Brennstoffzelle bereitstellt.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die eine Elektrolytmembran, eine Katalysatorschicht und eine Schutzschicht umfasst. Dieses Herstellungsverfahren umfasst das Ausbilden einer Schutzschicht als dünne Folie in Form eines Bilderrahmens, indem ein Harzmaterial auf einen Außenkantenbereich der Elektrolytmembran durch ein Tintenstrahlverfahren aufgebracht wird.
  • Aufgrund dieser Konstruktionsweise nimmt die Schutzschicht als dicke Folie des Stands der Technik die Form einer dünnen Folie an. Somit wird durch die Schutzschicht weder die Katalysatorschicht noch die Elektrolytmembran beschädigt, so dass die Betriebssicherheit der Brennstoffzelle verbessert werden kann. Da darüber hinaus die aus Tinte bestehende Schutzschicht durch das Tintenstrahlverfahren direkt auf der Elektrolytmembran ausgebildet wird, kann auf einen gesonderten Verfahrensschritt verzichtet werden, bei dem eine Schutzschicht in Form eines Bilderrahmens aus einem aus Harz hergestellten Schichtmaterial ausgestanzt wird. Somit ist die Lagerhaltung von Schutzschichten in Form von Bilderrahmen nicht mehr notwendig, was eine Senkung des Kostenaufwands sowie erhöhte Produktivität mit sich bringt.
  • Da abgesehen davon die Schutzschicht ohne Weiteres auf einem Anzeigebildschirm eines PCs (Personal Computer) mit Hilfe einer Bildverarbeitungs-Software in verschiedenen Abmessungen und Formen an einer Stelle dargestellt werden kann, wo die Tintenstrahlanwendung erfolgt ist, ist eine hohe Vielseitigkeit erreichbar. Da darüber hinaus die Schutzschicht anstatt des Harzschichtmaterials als dicke Folie durch Verwendung von Tinte mit einem guten Benetzungsverhalten und guter Fluidität erzeugt wird, kann auch eine dichte Anordnung ohne Ausbildung von Aussparungen in den Abstufungsbereichen (vertikalen Wandabschnitten) zwischen der Schutzschicht und der Elektrolytmembran erreichen werden, so dass eine Schutzschicht mit einem hervorragenden Dichtungsverhalten und einer ebensolchen Dauerhaftigkeit erzeugt werden kann.
  • Außerdem besteht in einer Polyimidschicht, deren Schichtdicke etwa 25 μm beträgt, die Tendenz, dass deren Kantenbereich die Katalysatorschicht scharfkantig berührt, und daraus eine Beschädigung der Katalysatorschicht resultiert. Was die durch Tinte erzeugte Schutzschicht (Tintenaufbringungsschicht) angeht, ist das Benetzungsverhalten eines äußeren Bereichs derselben in Bezug auf die Elektrolytmembran hoch, so dass die Tinte gleichmäßig verteilt entlang der Oberfläche der Elektrolytmembran führungszargenförmig (engl.: maintain skirt shape) strömt und keinen Randbereich ausbildet.
  • In dem Herstellungsverfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung müssen die Elektrolytmembran und die Katalysatorschicht aneinandergestapelt werden, und der Außenkantenbereich der Elektrolytmembran kann ein Außenkantenbereich einer auf der Katalysatorschichtseite befindlichen Hauptoberfläche der Elektrolytmembran sein.
  • In dem Herstellungsverfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann die Schutzschicht mit einem Außenkantenbereich von einer der Hauptoberflächen der Katalysatorschicht in Kontakt gelangen.
  • In dem Herstellungsverfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann die Brennstoffzelle eine Membranelektrodenanordnung umfassen, die die Elektrolytmembran und die Katalysatorschicht aufweist, und in der eine planare Abmessung der Katalysatorschicht kleiner ist als die planare Abmessung der Elektrolytmembran und die Schutzschicht in der Bilderrahmenform entlang der Elektrolytmembran von einem Außenkantenbereich der Katalysatorschicht ausgebildet sein kann, so dass die Schutzschicht sich entlang der Elektrolytmembran von dem Außenkantenbereich der Katalysatorschicht erstreckt. Gemäß der vorstehenden Konstruktion ist die Anordnung der Schutzschicht gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auf eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle anwendbar, die eine Membranelektrodenanordnung (MEA) umfasst, in der die Katalysatorschichten und eine Elektrolytmembran im Voraus zusammengefügt werden.
  • In dem Herstellungsverfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann die Wärmebeständigkeitstemperatur des Harzmaterials zumindest 100°C übersteigen. Wenn aufgrund dieser Konstruktion die Wärmebeständigkeitstemperatur des Harzmaterials der Schutzschicht zumindest 100°C übersteigt, wird der zur Verringerung der Abmessungen und Leistungsverbesserung des Brennstoffzellensystems notwendige Hochtemperaturbetrieb ermöglicht. Anders ausgedrückt können die an einen Hochtemperaturbetrieb gestellten Anforderungen nicht erfüllt werden, wenn kein Harz verwendet wird, dessen Wärmebeständigkeitstemperatur zumindest 100°C übersteigt.
  • In dem Herstellungsverfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann die Wärmebeständigkeitstemperatur des Harzmaterials einer Temperatur bei oder über derjenigen entsprechen, wo das Harzmaterial leicht plastisch verformbar ist.
  • In dem Herstellungsverfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann das Harzmaterial ein Harz auf Fluorbasis umfassen. Der Konstruktion gemäß ist das Harz wasserabweisend. Ist die Schutzschicht wasserabweisend, kann auch die Abführung von Wasser oder Feuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle (des Einheitszellen-Strukturkörpers) in Bezug auf den Schutzschichtbereich verbessert werden. Ein Fluten kann somit verhindert werden.
  • In dem Herstellungsverfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann das Harzmaterial ein Harz auf Polyimidbasis umfassen. Der Konstruktion gemäß kann eine Schutzschicht erzeugt werden, die sogar noch höheren Temperaturen standhalten kann.
  • In dem Herstellungsverfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann das Harzmaterial ein Elektrolytharz auf Kohlenwasserstoffbasis umfassen.
  • Der vorstehenden Konstruktion entsprechend gelangt bzw. dringt das Harz in die benachbart angebrachte Katalysatorschicht ein, wodurch eine noch bessere Protonenleitfähigkeit erreicht wird.
  • In dem Herstellungsverfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann die Dicke der Schutzschicht 0,1 μm bis 0,5 μm betragen.
  • In dem Herstellungsverfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann bei der Aufbringung des Harzmaterials durch das Tintenstrahlverfahren der zum Aufbringen des Harzmaterials angewendete Punktabstand eines Tintenstrahldruckers eine Punktdichte von 400 dpi bis 1200 dpi betragen.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Halbzellen-Strukturkörper einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die eine Elektrolytmembran, eine Katalysatorschicht und eine Schutzschicht aufweist. Diese Brennstoffzelle wird durch ein Herstellungsverfahren hergestellt, das ein Aufbringen eines Harzmaterials auf einen Außenkantenbereich der Elektrolytmembran mit Hilfe eines Tintenstrahlverfahrens und ein Ausbilden der Schutzschicht zu einer dünnen Folie in Form eines Bildererrahmens umfasst, und wobei die Schutzschicht aus dem aufgebrachten Harzmaterial hergestellt ist. Darüber hinaus beinhaltet der Halbzellen-Strukturkörper die Elektrolytmembran, die Katalysatorschicht und die Schutzschicht.
  • Die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle kann einen Einheitszellen-Strukturkörper umfassen, der gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung zwei Halbzellen-Strukturkörper aufweist.
  • In der Brennstoffzelle gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung kann der Einheitszellen-Strukturkörper derart angefertigt werden, dass die beiden Halbzellen-Strukturkörper eine gemeinsame Elektrolytmembran aufweisen, oder die Elektrolytmembran von einem der beiden Halbzellen-Strukturkörper und die Elektrolytmembran des jeweils anderen der beiden Halbzellen-Strukturkörper aneinandergefügt sind. Da die Schutzschicht dieser Konstruktion entsprechend mit Hilfe des Tintenstrahlverfahrens zu einer dünnen Folie in Form eines Bilderrahmens ausgebildet ist und die Katalysatorschicht und die Elektrolytmembran schützt, können die im Stand der Technik auftretenden Defekte aufgrund der Schutzschicht als dünne Folie (die z. B. eine Dicke von 25 μm bis 50 μm aufweist) verhindert werden, so dass die Dauerhaftigkeit der PEBZ verbessert werden kann.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die eine Membranelektrodenanordnung umfasst, in der eine planare Abmessungen einer Katalysatorschicht geringer ist als die planare Abmessung einer Elektrolytmembran. Dieses Herstellungsverfahren umfasst den Schritt des Ausbildens einer aus einen dünnen Folie bestehenden, bilderrahmenförmigen Schutzschicht entlang der Elektrolytmembran von einem Außenkantenbereich der Katalysatorschicht durch Aufbringen eines Harzmaterials durch ein Tintenstrahlverfahren, so dass sich die Schutzschicht entlang der Elektrolytmembran von dem Außenkantenabschnitt der Katalysatorschicht erstreckt.
  • Gemäß der Erfindung können Defekte wie Beschädigungen an einer Katalysatorschicht oder einer Elektrolytmembran oder die Kriechverformung einer Elektrolytmembran verhindert werden und somit die Dauerhaftigkeit der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEBZ) verbessert werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Die vorstehenden und weiteren Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachstehenden Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in der identische Bauteile mit identischen Bezugszeichen benannt sind, näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
  • 3 eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung eines Messverfahrens zur Untersuchung des Effekts der Erfindung; und
  • 4A u. 4B sind jeweils eine schematische perspektivische Ansicht bzw. eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens gemäß dem einschlägigen Stand der Technik.
  • Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
  • Nachstehend erfolgt die Beschreibung der Ausführungsformen unter Bezugnahme auf 1 und 2. 1 und 2 sind Diagramme, die die Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und eines Herstellungsverfahrens für die Brennstoffzelle zeigen. In der Zeichnung gelten Bereiche, die mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, als identisch.
  • 1 und 2 sind schematische Schnittansichten zur Erläuterung der Herstellungsverfahren gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform der Erfindung, in denen Halbzellen-Strukturkörper auf einer Anodenseite oder einer Kathodenseite in einer PEBZ hergestellt werden.
  • Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Verfahren zum Herstellen eines ersten Halbzellen-Strukturkörpers 60 beschrieben (wobei ein Halbzellen-Strukturkörper gemäß der ersten Ausführungsform als „erster Halbzellen-Strukturkörper” bezeichnet wird). Wie in 1 gezeigt ist, ist der erste Halbzellen-Strukturkörper 60 auf einer Trägerschicht 4 ausgebildet und umfasst eine Elektrolytmembran 1, eine bilderrahmenförmige Schutzschicht 20 und eine Katalysatorschicht 30. Die bilderrahmenförmige Schutzschicht 20 befindet sich in Kontakt mit einem Außenkantenbereich einer Hauptoberfläche der Katalysatorschicht 30 auf einer Seite der Elektrolytmembran 1.
  • Bei der Trägerschicht 4 handelt es sich um eine Harzschicht, die teilweise Polyester, wie z. B. ein Polyimid, PET (Polyethylen-Terephthalat) etc., und ein Harz auf Fluorbasis, wie z. B. ETFE (4-fach fluoriertes Ethylen-Copolymer), PTFE (Polytetrafluorethylen) etc., und Polyolefin, wie z. B. PE (Polyethylen), PP (Polypropylen) etc., enthält. Die Dicke der Trägerschicht 4 kann 40 μm bis 60 μm betragen. Wenn die Dicke der Trägerschicht 4 weniger als 40 μm beträgt, kann die Trägerschicht 4 ihre Aufgabe als Tragreinrichtung nicht erfüllen. Beträgt ihre Dicke mehr als 60 μm, bringt dies einen erhöhten Kostenaufwand mit sich. Darüber hinaus kann die Trägerschicht 4 auch eine derartige Oberflächenbeschaffenheit aufweisen, dass die Trägerschicht 4 und die Elektrolytmembran 1 während des Warmpressens nicht miteinander verschmelzen oder eine chemische oder physikalische Bindung eingehen.
  • Für einen in einem Zwischenschritt erfolgenden Vorgang kann sich die Trägerschicht 4 daher ohne Weiteres von der Elektrolytmembran 1 abschälen.
  • Die Elektrolytmembran 1 wird z. B. aus Nafion von der Firma DuPont auf der Trägerschicht 4 ausgebildet, indem dasselbe mit einer Dicke von 10 μm bis 30 μm aufgebracht wird. Die Elektrolytmembran 1 kann außer aus Nafion, bei dem es sich um einen protonendurchlässigen Elektrolyten handelt, auch aus einem anderen Material hergestellt werden.
  • Die bilderrahmenförmige Schutzschicht 20 ist direkt auf einer Hauptoberfläche der Elektrolytmembran 1 ausgebildet, die sich nicht in Kontakt mit der Trägerschicht 4 befindet, so dass sie durch ein Tintenstrahlverfahren die Form eines als dünne Schicht ausgebildeten Bilderrahmens erhält. Die Dicke der bilderrahmenförmigen Schutzschicht 20 kann 0,1 μm bis 0,5 μm betragen. Die bilderrahmenförmige Schutzschicht 2 gemäß einer aus dem Stand der Technik bekannten Technologie, die in 4A und 4B gezeigt ist, ist nicht direkt auf der Trägerschicht 4 ausgebildet, sondern wird als ein separates Element bereitgestellt, in dem eine aus einer dicken Harzschicht hergestellte Platte in Form eines Bilderrahmens ausgestanzt wird, und unterscheidet sich so von der bilderrahmenförmigen Schutzschicht 20 gemäß der Ausführungsform.
  • Bei dem Tintenstrahlverfahren wird ein bilderrahmenförmiges Bild mit entsprechenden Abmessungen mit Hilfe einer Bildverarbeitungs- oder CAD-Software in einem PC gezeichnet, und das Bild wird an einen Tintenstrahldrucker gesendet, so dass eine Tinte zum Ausbilden der Schutzschicht 20 aus den Düsen des Tintenstrahldruckers dem Bild entsprechend aufgebracht wird. Folglich wird eine bilderrahmenförmige Schutzschicht 20 auf einem Außenkantenbereich 20P ausgebildet, bei dem es sich um einen Außenkantenbereich einer Hauptoberfläche der Elektrolytmembran 1 handelt, die nicht in Kontakt mit der Trägerschicht ist. Die Punktdichte (dpi) des Tintenstrahldruckers kann z. B. 400 dpi bis 1200 dpi betragen, so dass eine dichte Schutzschicht 20 erzeugt werden kann.
  • Aufgrund der Aufbringung durch das Tintenstrahlverfahren wird die Schutzschicht 20 zu einer dünnen Schicht ausgebildet. Darüber hinaus können die Abmessungen und die Form der Schutzschicht 20 auf dem Anzeigebildschirm eines PCs willkürlich verändert werden. Außerdem besteht keine Notwendigkeit, die bilderrahmenförmige Schutzschicht 2 als ein separates Element auszubilden oder zu bearbeiten. Da das als dünne Harzfolie ausgebildete Schichtmaterial weder fest noch zäh ist, gestaltet sich ein Stanzvorgang, durch den ein rechteckiges als dünne Harzfolie ausgebildetes Schichtmaterial erhalten werden soll, als schwierig. Daher ist darauf zu achten, dass keine Schnittabfälle und dergleichen haftenbleiben. Um darüber hinaus für die dünne Folie auch noch eine gewünschte Dicke zu erhalten, können die Düsen, aus denen Tinte ausgestoßen wird, über dem selben Bereich hin- und herbewegt werden, so dass eine Vielzahl von Tintenschichten aufgebracht werden kann.
  • Anschließend erfolgt eine ausführliche Beschreibung des Materials der Tinte, die zum Ausbilden der Schutzschicht 20 verwendet wird. Das Tintenmaterial kann eine Wärmebeständigkeitstemperatur von zumindest 100°C sowie eine hervorragende Säurebeständigkeit, hervorragende Wärmebeständigkeit und hervorragende Protonenleitfähigkeit aufweisen. Im vorliegenden Zusammenhang handelt es sich bei Wärmebeständigkeitstemperatur um eine Temperatur, bei und über der das Harz leicht verformbar ist. Genauer gesagt kann es sich bei dem Tintenmaterial entweder um ein Harz auf Fluorbasis, ein Harz auf Polyimidbasis oder ein Elektrolytharz auf Kohlenwasserstoffbasis oder ein Harz aus einer Kombination dieser Harze handeln. Als das Harz auf Fluorbasis ist ein Polyvinylidenfluorid (PVDF) zu bevorzugen, das eine hohe Säurebeständigkeit bietet. Als das Harz auf Polyimidbasis ist ein solches mit einer Protonentransportfähigkeit zu bevorzugen, und insbesondere ein sulfoniertes Polyimid zu bevorzugen, das eine hohe Wärmebeständigkeit bietet. Als ein Elektrolytharz auf Kohlenwasserstoffbasis ist ein solches zu bevorzugen, das eine Protonentransportfähigkeit aufweist, und insbesondere ein sulfoniertes Polyphenylensulfid zu bevorzugen.
  • Weitere zu bevorzugende Arten von Materialien sind Harze, die Polyamid, Polyester, thermoplastischen Fluorkohlenstoff-Kautschuk, Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer (ETFE), ternäres Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Hexafluorpropylen-Vinyliden (THV), Tetrafluorpropylen-Copolymer (FEP), ein ternäres Copolymer aus Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Perfluoralkylvinylether (EPA) etc. umfassen.
  • Außerdem kann in dem Fall, wo die Schutzschicht 20 die Protonenleitfähigkeit verbessern soll, während sie in die Katalysator 30 eindringt, auch ein Material verwendet werden, das einen Elektrolyten auf Kohlenwasserstoffbasis (der eine Protonentransportfähigkeit aufweist) enthält. Genauer gesagt kann neben dem vorstehend erwähnten sulfonierten Polyphenylensulfid auch eines der Polymere und Copolymere von Polybenzimidazol, Polyether-Etherketon, Polyethersulfon etc. verwendet werden. Wenn abgesehen davon eine Lösung aus einem solchen Polymer als eine Lösung zubereitet wird, in der ein Elektrolyt auf Kohlenwasserstoffbasis löslich ist, können auch Alkohol und Wasser sowie N-Methyl-Pyrrolidon (NMP), Dimethylformaldehyd (DMF), Dimethylsulfoxid (DMSO) etc. verwendet werden. Darüber hinaus können für die Anpassung der Viskosität auch andere Substanzen, Lösungen etc., die zur Herstellung einer Tinte und Optimierung der Haltbarkeit in einem Gefäß bzw. Gebrauchsdauer oder dergleichen notwendig sind, den üblichen Verfahren entsprechend zubereitet werden.
  • Nachdem die Katalysatorschicht 30 so ausgebildet worden ist, dass sie auf die Elektrolytmembran 1 mit der darauf ausgebildeten Schutzschicht 20 als Schicht aufgebracht ist, wird die Trägerfolie 4 von der Elektrolytmembran 1 abgezogen. Somit wird ein Halbzellen-Strukturkörper 60 hergestellt, der die Elektrolytmembran 1, die Katalysatorschicht 30 und die Schutzschicht 20 umfasst, die bilderrahmenförmig direkt auf dem Außenkantenbereich der Elektrolytmembran 1 ausgebildet ist, indem auf denselben durch das Tintenstrahlverfahren ein Harzmaterial mit einer Dicke von 0,1 μm bis 5,0 μm angewendet wird. Die Dicke der mittels Tintenstrahl aufgebrachten Schutzschicht kann anhand von Veränderungen der Absorption im Ultraviolettabsorptionsspektrum und sichtbaren Absorptionsspektrum gemessen werden. Wenn die Dicke der Schutzschicht weniger als 0,1 μm beträgt, dann kann die Schutzschicht ihre Aufgabe als eine Schutzschicht nicht erfüllen. Beträgt ihre Dicke mehr als 5,0 μm, kommt es sehr wahrscheinlich zu einem Aufwerfen eines Außenendabschnitts der Katalysatorschicht 30 und der Kriechverformung der Elektrolytmembran.
  • Anschließend wird unter Bezugnahme auf 2 ein Verfahren zum Herstellen eines Halbzellen-Strukturkörpers 70 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung beschrieben (wobei nachstehend jedoch gegebenenfalls von einer Beschreibung der Sachverhalte abgesehen wird, die in Bezug auf die erste Ausführungsform als redundant erachtet wurden). Wie in 2 gezeigt ist, wird der Halbzellen-Strukturkörper 70 auf einer Trägerschicht 4 ausgebildet und umfasst eine aus einer Elektrolytmembran 1 und einer Katalysatorschicht 31 hergestellte MEA und eine bilderrahmenförmige Schutzschicht 21. In dieser Ausführungsform sind die Elektrolytmembran 1 und die Katalysatorschicht 31 vorher zusammengefügt worden. Da die MEA aufgrund des Herstellungsverfahrens auf der Anodenseite und der Kathodenseite nur zur Hälfte ausgebildet ist, wird die MEA gegebenenfalls auch als MEA-Halbbauteil 311 bezeichnet.
  • Was das MEA-Halbbauteil 311 angeht, sind die planaren Abmessungen der Katalysatorschicht 31 kleiner als die planaren Abmessungen der Elektrolytmembran 1. Die Katalysatorschicht 31 ist auf der Elektrolytmembran 1 so ausgebildet, dass ein Außenkantenbereich der rechteckigen Elektrolytmembran 1 einen freigelegten Bereich einer bestimmten Breite ausbildet. In Bezug auf das MEA-Halbbauteil 311 wird im Wesentlichen die gleiche Tinte wie in der ersten Ausführungsform auf einen Außenkantenbereich der Katalysatorschicht 31 und den zuvor erwähnten freigelegten Außenkantenbereich der Elektrolytmembran 1 aufgebracht, so dass durch das Tintenstrahlverfahren eine Bilderrahmenform auf eine Art und Weise zustande kommt, so dass die aufgebrachte Tinte den Außenkantenbereich der Katalysatorschicht 31 und den freigelegten Außenkantenbereich der Elektrolytmembran 1 bedeckt. Anschließend wird die Trägerfolie 4 wie in der ersten Ausführungsform von dem MEA-Halbbauteil 311 abgezogen, woraufhin die Fertigung der Halbzellen-Strukturkörper 70 beendet ist. Daher befindet sich die bilderrahmenförmige Schutzschicht 21 mit einem Außenkantenbereich der Hauptoberfläche der Katalysatorschicht 31, die der Elektrolytmembran 1 gegenüberliegt, in Kontakt.
  • Im Übrigen werden Halbzellen-Strukturkörper 60 gemäß der ersten Ausführungsform oder Halbzellen-Strukturkörper 70 gemäß der zweiten Ausführungsform im Wesentlich auf die gleiche Art und Weise hergestellt, und die Elektrolytmembranen 1 der beiden Halbzellen-Strukturkörper 60 oder die Elektrolytmembranen 1 der beiden Halbzellen-Strukturkörper 70 werden an ihren rückseitigen Oberflächen durch Verwendung eines Klebstoffs aneinandergefügt. Auf diese Art und Weise erfolgt die Fertigung der Einheitszellen-Strukturkörper. Alternativ wird nach der Fertigstellung eines Halbzellen-Strukturkörpers 60 oder eines Halbzellen-Strukturkörpers 70 ein Halbzellen-Strukturkörper 70 gemäß der zweiten Ausführungsform oder ein Halbzellen-Strukturkörper 60 im Wesentlichen auf die selbe Art und Weise direkt auf den Oberflächen des Halbzellen-Strukturkörpers 60 oder des Halbzellen-Strukturkörpers 70 ausgebildet, auf denen keine Schicht angebracht ist. Anschließend werden die beiden Halbzellen-Strukturkörper einem Warmpressvorgang unterzogen, während sie von zwei einander gegenüberliegenden Endoberflächenseiten her zusammengespannt werden. Auf diese Art und Weise werden Einheitszellen-Strukturkörper hergestellt.
  • Anschließend werden die Beispiele 1A und 2A gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Wie in 3 gezeigt ist, wurde ein Halbzellen-Strukturkörper 60 mit einer Elektrolytmembran 1, einer bilderrahmenförmigen Schutzschicht 20 und einer Gasdiffusionsschicht (GDL) als Bestandteilen hergestellt. Bei dem Material der Elektrolytmembran, das in diesem Fall verwendet wurde, handelte es sich um eine Lösung aus Nafion DE 2020CS (von DuPont). Eine Elektrolytmembran 1 mit einer Dicke von 10 μm bis 20 μm wurde mittels eines Gießverfahren durch Aufbringen der Nafion-DE2020CS-Lösung auf eine PET-Folie 4 (eine Trägerfolie) mit einer Dicke von 38 μm ausgebildet. Danach wurde die PET-Folie 4 in vier jeweils 50 mm × 50 mm große Stücke geschnitten.
  • Für das Material der Schutzschicht 20 wurde in Beispiel 1A eine PVDF-haltige Tinte verwendet, und in Beispiel 2A wurde eine sulfoniertes Polyimid enthaltende Tinte verwendet. In jedem der Beispiele 1A und 2A wurde die Schutzschicht 20 auf der Elektrolytmembran mittels eine Tintenstrahlverfahrens 1 so ausgebildet, dass sie in Form eines etwa 10 mm breiten Bilderrahmens vorlag und eine Dicke von 0,13 μm aufwies (wobei die Dicke anhand der veränderten Absorption im Ultraviolettabsorptionsspektrum und sichtbaren Absorptionsspektrum ermittelt wurde). Zudem wurde eine Katalysatorschicht 30 mit planaren Abmessungen von 40 mm mal 40 mm mit Hilfe eines Transkriptionsverfahren durch Verwendung eines Harzmaterials hergestellt, das ein aus platintragenden Kohlenstoffpartikeln hergestelltes Pulver enthielt. Dann wurde währenddessen die PET-Folie 4 (Trägerfolie) abgezogen.
  • Anschließend wurde die Gasdiffusionsschicht (GDS) 40 auf eine Breite von 45 mm zugeschnitten und so bearbeitet, dass die GDL 40 größere planare Abmessungen aufwies als die Katalysatorschicht 30 und kleinere planare Abmessungen aufwies als die Elektrolytmembran 20, wie in 3 gezeigt ist. Dann wurden die Katalysatorschicht 30, die bilderrahmenförmige Schutzschicht 20 und die Elektrolytmembran 20 zwischen den beiden GDS 40 sandwichartig angeordnet, so dass der Mittelpunkt der oberen GDS 40 im Wesentlichen mit dem Mittelpunkt eines Aussparungsabschnitts der bilderrahmenförmigen Schutzschicht 20 übereinstimmte, wobei deren die Längsseiten und Lateralseiten parallel zu jenen der bilderrahmenförmigen Schutzschicht 20 waren, und so, dass die Längseiten und die Lateralseiten der unteren GDS 40 parallel zu jenen der oberen GDS 40 waren. Dann wurde die Sandwichstruktur einem fünfminütigen Warmpressvorgang bei 130°C und einem Druck von 4 MPa unterzogen.
  • Den so angefertigten Strukturkörper, der die Elektrolytmembran 1, die Schutzschicht 20 und die beiden GDS 40 umfasste, ließ man für eine Stunde oder länger in einer Atmosphäre mit einer Temperatur von 25°C und einer Feuchtigkeit von 50% ruhen. Danach wurde der Strukturkörper bei 2,3 MPa zwischen elektrisch leitfähige Metallblöcke gelegt und durch die elektrisch leitfähigen Metallblöcke an diesen sandwichartigen Strukturkörper eine Spannung von 0,2 V angelegt, um den Leckstrom messen zu können.
  • In den Beispielen 1A und 1B wurden zwei Strukturkörper (Halbzellen-Strukturkörper), die gemäß der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise erhalten wurden, zusammengefügt, wobei die Rückseiten der Elektrolytmembranen der beiden Strukturkörper miteinander in Kontakt waren, so dass ein Einheitszellen-Strukturkörper erzeugt wurde, der tatsächlich in der Lage war, elektrische Leistung zu erzeugen. Dann ließ man Wasserstoff und Luft jeweils in die Anode und die Kathode strömen, so dass 20 Minuten lang elektrische Leistung mit einer Nennstromdichte von 0,1 A/cm2 erzeugt wurde. Dementsprechend sammelte sich in dem Einheitszellen-Strukturkörper Wasser an. Dann ließ man den Einheitszellen-Strukturkörper zwei Stunden lang stehen, wobei währenddessen ein Wärmeeinwirkungstest ausgeführt wurde, in dem die Temperatur immer wieder zwischen –20°C und 70°C wechselte. Unter Verwendung eines Strukturkörpers als ein Vergleichsbeispiel, in dem die Schicht, die der Schutzschicht 20 der vorstehenden Beispiele entspricht, durch eine separate, bilderrahmenförmige Polyimidschicht (mit der Handelsbezeichnung Kapton) mit einer Dicke von 25 μm ersetzt wurde, wurde im Wesentlichen der gleiche Wärmeeinwirkungstest wie in Beispiel 1B und 2B ausgeführt. Die Ergebnisse für die Messung des Leckstroms in den Beispielen 1A und 2A können Tabelle 1 entnommen werden. Tabelle 1
    Bearbeitungsbedingung Leckstrom (mA)
    Beispiel 1A 10 μm dicke Elektrolytmembran + PVDF-Schutzschichten (0,13 μm Dicke), die durch das Tintenstrahlverfahren erzeugt werden 0,69
    Beispiel 2A 10 μm dicke Elektrolytmembran + sulfonierte Polyimid-Schutzschichten (0,13 μm Dicke), die durch das Tintenstrahlverfahren erzeugt werden 1,80
  • Die Auswertungsergebnisse der Wärmeeinwirkungstemperatur von Beispiel 1B, Beispiel 2B und dem Vergleichsbeispiel sind Tabelle 2 zu entnehmen. Tabelle 2
    Bearbeitungsbedingung Zustand nach Wärmeeinwirkungstest
    Beispiel 1B 10 μm dicke Elektrolytmembran + PVDF-Schutzschichten (0,13 μm Dicke), die durch das Tintenstrahlverfahren erzeugt werden Gut (kein Defekt aufgetreten)
    Beispiel 2B 10 μm dicke Elektrolytmembran + sulfonierte Polyimid-Schutzschichten (0,13 μm Dicke), die durch das Tintenstrahlverfahren erzeugt werden Gut (kein Defekt aufgetreten)
    Vergleichsbeispiel 10 μm dicke Elektrolytmembran + Polyimid-Schutzschichten (25 μm Dicke) Nicht gut (Ein Außenkantenbereich einer Schutzschicht gelangte in einen Grenzbereich, wo die Schutzschicht und die Elektrolytmembran einander berührten, so dass sich in der Elektrolytmembran ein Riss bildete.
  • Die Messergebnisse des Leckstroms (mA) haben ergeben, dass sogar wenn die Elektrolytmembran nur 10 μm dünn ist, der Leckstrom durch das Vorhandensein von in dünnen Schichten ausgebildeten Schutzschichten, die erfindungsgemäß durch das Tintenstrahlverfahren erzeugt werden, ausreichend reduziert werden kann. Dies wird deswegen vermutet, da, selbst wenn es sich bei der Elektrolytmembran um eine dünne Schicht handelt, durch die Verstärkung durch die Schutzschichten die offenkundige Härte (Festigkeit) der Oberflächen der Elektrolytmembran verbessert wird. Darüber hinaus wird aus den Ergebnissen des Wärmeeinwirkungstests (Wärmezyklustests) geschlossen, dass ein weiterer Grund für die ausreichende Reduktion des Leckstroms der ist, dass die Verwerfung einer Katalysatorschicht, die Beschädigung einer Elektrolytmembran oder die Kriechverformung einer Elektrolytmembran nicht mehr auftreten wird, da die Foliendicke der Schutzschichten (die Schichtdicke derselben nach der Tintenstrahlaufbringung) die einer dünnen Folie ist.
  • Obgleich vorstehend einige Ausführungsformen der Erfindung erläutert worden sind, wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf Einzelheiten der dargestellten Ausführungsformen begrenzt ist, sondern mit verschiedenen Veränderungen, Modifizierungen oder Verbesserungen verkörpert werden kann, die für Fachleute selbstverständlich sind, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
  • Die Erfindung kann dann zur Anwendung kommen, wenn Schutzschichten in einem Einheitszellen-Strukturkörper einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle vorgesehen werden.
  • Zusammenfassung
  • Herstellungsverfahren für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle und durch das Verfahren hergestellte Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
  • Eine Schutzschicht (20) wird bilderrahmenförmg als eine dünne Folie zwischen einer Elektrolytmembran (1) und einem Außenkantenbereich einer Katalysatorschicht (30) durch Aufbringen von Tinte durch ein Tintenstrahlverfahren ausgebildet. Die Schutzschicht (20) wird direkt auf der Elektrolytmembran (1) mit einer Dicke im Bereich von 0,1 μm bis 5,0 μm ausgebildet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • JP 3690682 [0006]
    • JP 2007-66766 A [0006]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Seite der Anodenkatalysatorschicht [0002]
    • Seite der Kathodenkatalysatorschicht [0002]

Claims (15)

  1. Herstellungsverfahren für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die eine Elektrolytmembran, eine Katalysatorschicht und eine Schutzschicht umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren beinhaltet: Ausbilden einer aus einer dünnen Folie bestehenden Schutzschicht in Form eines Bilderrahmens durch Aufbringen eines Harzmaterials auf einen Außenkantenbereich der Elektrolytmembran durch ein Tintenstrahlverfahren.
  2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei: die Elektrolytmembran und die Katalysatorschicht gestapelt werden; und der Außenkantenbereich der Elektrolytmembran ein Außenkantenbereich einer Hauptoberfläche der Elektrolytmembran auf einer Katalysatorschichtseite ist.
  3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schutzschicht mit einem Außenkantenbereich von einer der Hauptoberflächen der Katalysatorschicht in Kontakt ist.
  4. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: die Brennstoffzelle eine Membranelektrodenanordnung umfasst, die die Elektrolytmembran und die Katalysatorschicht aufweist, und in der eine planare Abmessungen der Katalysatorschicht kleiner als die planare Abmessung der Elektrolytmembran ist; und die Schutzschicht in Form eines Bilderrahmens entlang der Elektrolytmembran von einem Außenkantenbereich der Katalysatorschicht ausgebildet wird, so dass die Schutzschicht sich entlang der Elektrolytmembran von dem Außenkantenbereich der Katalysatorschicht erstreckt.
  5. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wärmebeständigkeitstemperatur des Harzmaterials zumindest 100°C überschreitet.
  6. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, wobei die Wärmebeständigkeitstemperatur des Harzmaterials eine Temperatur ist, bei oder über der das Harzmaterial plastisch verformbar ist.
  7. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Harzmaterial ein Harz auf Fluorbasis umfasst.
  8. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Harzmaterial ein Harz auf Polyimidbasis umfasst.
  9. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Harzmaterial ein Elektrolytharz auf Kohlenwasserstoffbasis umfasst.
  10. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Dicke der Schutzschicht 0,1 μm bis 0,5 μm beträgt.
  11. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei, wenn das Harzmaterial durch das Tintenstrahlverfahren aufgebracht wird, der Punktabstand eines Tintenstrahldruckers, der zum Aufbringen des Harzmaterials angewendet wird, zwischen 400 dpi bis 1200 dpi eingestellt ist.
  12. Halbzellen-Strukturkörper einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle durch das Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt wird, und folgende Merkmale aufweist: die Elektrolytmembran; die Katalysatorschicht; und die Schutzschicht.
  13. Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Einheitszellen-Strukturkörper aufweist, der aus zwei Halbzellen-Strukturkörpern nach Anspruch 12 konstruiert ist.
  14. Brennstoffzelle nach Anspruch 13, wobei der Einheitszellen-Strukturkörper derart hergestellt wird, dass die beiden Halbzellen-Strukturkörper eine gemeinsame Elektrolytmembran aufweisen oder die Elektrolytmembran von einem der beiden Halbzellen-Strukturkörper und die Elektrolytmembran des jeweils anderen der beiden Halbzellen-Strukturkörper aneinandergefügt sind.
  15. Herstellungsverfahren für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die eine Membranelektrodenanordnung umfasst, in der eine planare Abmessungen einer Katalysatorschicht kleiner als die planare Abmessung einer Elektrolytmembran ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein Ausbilden einer als dünne Folie ausgebildeten Schutzschicht in Form eines Bilderrahmens entlang der Elektrolytmembran von einem Außenkantenbereich der Katalysatorschicht durch Aufbringen eines Harzmaterials durch ein Tintenstrahlverfahren beinhaltet, so dass die Schutzschicht sich entlang der Elektrolytmembran von dem Außenkantenbereich der Katalysatorschicht erstreckt.
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