DE112010002921T5

DE112010002921T5 - Verfahren zur einheitlichen Anfertigung einer Membrankatalysator beschichtetenMembranelektrode für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112010002921T5
Application number: DE112010002921T
Authority: DE
Inventors: Pingwen Ming; Danmin Xing; Yuhai Zhang; Zhongjun Hou; Shufan Song; Ke Zhang
Original assignee: Sunrise Power Co Ltd
Current assignee: Sunrise Power Co Ltd
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-06-03
Publication date: 2012-05-31
Also published as: US20120279648A1; CN101887975B; CN101887975A; WO2011124039A1

Abstract

Ein Verfahren zum einheitlichen Anfertigen einer Membrankatalysator beschichteten Schichtmembranelektrode für eine Brennstoffzelle umfasst: Anfertigen einer Protonenaustauschmembran und Herstellen einer Katalysator beschichteten Schichtmembranelektrode, wobei die angefertigte Protonenaustauschmembran auf die Art und Weise erzeugt wird, dass ein Grünkörper der Protonenaustauschmembran anhand jedes der Verfahren zum Fließgießen, Imprägnieren und Aufsprühen einer Flüssigkeit (401) von Protonenaustauschharz angefertigt wird, und wobei der angefertigte Grünkörper der Protonenaustauschmembran keine Folgebearbeitung hat; wobei die hergestellte Katalysator beschichtete Schichtmembranelektrode (CCM) mit einer Elektrodenpaste (406) auf den zwei Seiten des Grünkörpers der Protonenaustauschmembran anhand jedes der Siebdruck-, Lackier- oder Abstreifverfahren, und zwar, unmittelbar auf den ohne Folgebearbeitung angefertigten Grünkörper der Protonenaustauschmembran, zur Ausbildung eines CCM-Plättchens im stabilen Zustand beschichtet wird; außerdem umfasst die Herstellung des CCM-Plättchens die Ausführung eines Ionenaustausches, einer Hitzebehandlung und eines Aktivierungsprozesses. Das Verfahren zur Anfertigung der Membranelektrode hat die folgenden Eigenschaften: Vereinfachte Anfertigungstechnik, maßstabsgetreue Anfertigung ist einfacher durchzuführen, hohe elektrochemische Aktivität der Membran-Elektroden-Einheit, gute mechanische Materialfestigkeit, stabiler Strukturzustand.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Brennstoffzelle und insbesondere ein Verfahren zum Präparieren einer Membranelektrode für Brennstoffzellen mit einer Katalysatorbeschichtung und darin besonders ein Integrationsverfahren zum Präparieren einer Polymeraustauschmembran und einer Membranelektrode mit einer Katalysatorbeschichtung.
STAND DER TECHNIK
Eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) umfasst vorwiegend eine Kathodenelektrode, eine Anodenelektrode und eine Polymeraustauschmembran, wobei die Kathoden- und Anodenelektroden aus Gasdiffusionsschichten (GDL) bzw. Katalysatorschichten (CL) gebildet sind. Die Membran-Elektroden-Einheit stellt eine Umgebung zur vollständigen Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie zur Verfügung, so dass sie für die Bereitstellung von Treibstoff und Qxidationsmittel verantwortlich ist, Elektronen und Wasser etc. ausgibt. Um die Effizienz der elektrochemischen Reaktion zu steigern und die Katalysatormenge zu reduzieren, wurden Membran-Elektroden-Einheiten mit verschiedenartiger Zusammensetzung entwickelt, wobei der Hauptunterschied zwischen diesen in der Zusammensetzung der Elektrode liegt, der eine grobe Unterterilung in dicke Gasdiffusionselektroden (GDE) und dünne hydrophile Elektroden möglich macht. Eine ursprüngliche Membran-Elektroden-Einheit wird wie folgt angefertigt: zuerst wird eine Katalysatorschicht auf der porösen Gasdiffusionsschicht angefertigt, um eine Gasdiffusionselektrode auszubilden, und dann werden zwei Elektroden auf beide Seiten einer Protonenaustauschmembran heißgepresst, um eine Membran-Elektroden-Einheit auszubilden. Die Katalysatorschicht dieser Art von Membran-Elektroden-Einheiten ist ziemlich dick und erfordert eine ziemlich große Katalysatormenge und der Verbund der Katalysatorschicht und der Membran ist schlecht. Um die Effizienz der Brennstoffzelle zu steigern und die Katalysatormenge zu reduzieren, schlägt Wilson et al. ("Thin film catalyst layers for polymer electrolyte fuel cell electrode" by M. S. Wilson and S. Gottesfeld, Journal of Applied Electrochemistry 1992, 22: 1–7, "High performance catalyzed membranes of ultra-low PT loadings" by M. S. Wilson and S. Gottesfeld, Journal of Electrochem. Soc., 1992, 139(2): L28–130) vor, eine Katalysatorschicht auf der Protonenaustauschmembran anzufertigen und dann beides mit Gasdiffusionsschichten (GDLs) zusammenzulaminieren, um eine Membran-Elektroden-Einheit auszubilden. Aus Sicht des Anfertigungsverfahrens wird wird diese als Katalysator beschichtete Membranelektrode (CCM) bezeichnet. Hinsichtlich der Eigenschaften für die Zusammensetzung der Elektrode, gehört diese den dünnen hydrophilen Elektroden an.
Eine hydrophile Dünnschichtelektrode umfasst vorwiegend zwei Arten von Komponenten: ein Komponent ist ein Katalysator, zum Beispiel Pt/C, welcher eine Rolle in der Erbringung der Aktivität einer elektrochemischen Reaktion oder im Leiten von Elektronen spielt. Die andere Komponente ist ein Ionomer, zum Beispiel perfluoriertes Sulfonsäureharz, und die Verbindung mit dem Ionomer spiels eine Rollte in der Leitung von Protonen. Um die Katalysatordispersion zu verbessern und die Elektrodenzusammensetzung zu optimieren, können erfordernisgemäß einige Arbeitsstoffe, zum Beispiel Dispergiermittel, Bindemittel, porenbildende Arbeitsstoffe oder hydrophile Arbeitsstoffe etc. der Elektrodenpaste für die Elektrodenanfertigung hinzugefügt werden. Zum Beispiel umfasst die Elektrodenpaste, wie in der US-Patentschrift 5,330,860 beschrieben, worauf hier Bezug genommen wird, einen Katalysator (Pt/C), einen Ionomer (perfluoriertes Sulfonsäurepolymer) und ein Dispergiermittel (Ethylenglycol-Monoethylether). Wie in der US-Patentschrift 5,211,984 beschrieben, wird Ethylenglycol oder Natriumhydroxid (NaOH) zu Einstellung der Viskosität der Elektrodenpaste verwendet. Die dichte Katalysatorschicht, welche unter Verwendung dieser Elektrodenpaste angefertigt ist, ist vollständig hydrophil und hat einen dauerhafte Protonenleitungsstrecke. Der Verbund der Katalysatorschicht und der Membran ist sehr gut und nützlich für Protonen- und Wassertransfer. Aus diesem Grund besteht das Erfordernis, dass eine derartige hydrophile Katalysatorschicht sehr dünn sein muss, um zuzusichern, dass ausreichend Gas (Treibstoff und Oxidationsmittel) die Katalysatoroberfläche erreichen und eine elektrochemische Reaktion erzielt werden, und daher ist es wichtig, eine einheitliche Verteilung von Katalysatorteilchen zu gewährleisten.
Für Verfahren zur Anfertigung der CCM aus dem Stand der Technik wird zwischen direkten und indirekten Verfahren unterschieden. Beim direkten Verfahren wird Katalysatorpaste auf die Protonenaustauschmembran verteilt, um eine CCM auszubilden, so zum Beispiel gemäß dem Verfahren in veröffentlichter chinesischer Patentanmeldung CN 200,410,012,0745.6 , wonach der Katalysator mit dem Protonenaustauschharz, dem hydrophoben Arbeitsstoff, dem Dispergiermittel und dem oberflächenaktiven Arbeitsstoff vermischt wird, um Elektrodenpulver anzufertigen, und das Elektrodenpulver anhand Laserdruck und Xerographietechnik auf die Protonenaustauschmembran verteilt wird, um die CCM auszubilden. Gemäß dem Verfahren in veröffentlichter US-Patentanmeldung 6,074,692 wird die Protonenaustauschmembran im Voraus aufgebläht, die Mewmbran an einer Apparatur befestigt, um eine Kontraktion zu begrenzen, und dann die Elektrodenpaste unter Anwendung eines Aufsprühverfahrens auf beide Seiten der Protonenaustauschmembran verteilt und getrocknet, um die CCM auszubilden. Gemäß dem Verfahren in US-Patentschrift 7,041,191 werden die Protonenaustauschmembran auf einem Substrat fixiert, das Substrat in einer Siebdruckmaschine platziert und dann die Elektrodenpaste auf beide Seiten der Protonenaustauschmembran siebgedruckt und schließlich getrocknet und heißgepresst, um eine CCM auszubilden. Gemäß dem Verfahren in veröffentlichter US-Patentanmeldung 7,285,307 werden die Protonenaustauschmembran und eine Kunststoffstützfolie zusammengebracht und Elektrodenpaste auf eine Seite der Protonenaustauschmembran durch Siebdruckverfahren oder Schablonendruckverfahren verteilt, nach vollständiger Trocknung der Elektrodenpaste wird die Stützfolie abgestreift und die Elektrodenpaste anhand oben genannter Verfahren auf der anderen Seite der Protonenaustauschmembran verteilt.
Beim in direkten Verfahren wird Substratmedium mit Elektrodenpaste beschichtet, um eine Katalysatorschicht auszubilden, denn wird die Katalysatorschicht anhand eines Heißpressverfahrens auf die Protonenaustauschmembran transferiert. Gemäß dem Verfahren in veröffentlichter US-Patentanmeldung 5,211,984 werden eine als Substratmedium dienende Teflonfolie mit der Katalysator- und Ionenmerpaste mit geeigneter Viskosität beschichtet, dann mit der Protonenaustauschmembran verklebt und ein starker Verbund der Katalysatorschicht und der Membran durch Heißpressen hergestellt und schließlich die mikroporöse PTFE-Folie abgestriffen. Gemäß dem Verfahren in veröffentlichter US-Patentanmeldung 5,211,984 wird die mikroporöse PTFE-Folie mit verdünnter Nafionlösung vorbehandelt, gefolgt von einer Beschichtung mit der Elektrodenpaste und nach vollständiger Trockung der Lösungsmittel werden die Katalysatorschicht und die Protonenaustauschmembran miteinander verbunden und ein starker Verbund der Katalysatorschicht und der Membran durch Heißpressen hergestellt, dann wird die mikroporöse PTFE-Folie abgestriffen. Gemäß dem Verfahren in chinesischer Patentanmeldung CN 200,410,012,744.1 werden das Substratmedium durch Siebdrucktechnik mit der Elektrodenpaste beschichtet, um eine Katalysatorschicht auszubilden, und dann wird die Katalysatorschicht durch Heißpressen auf die Protonenaustauschmembran transferiert.
Da Ausmaß und Effizienz des Vefahrens zur Anfertigung der Membran-Elektroden-Einheit wichtige Faktoren zur Begrenzung der Brennstoffzellenkapazität sind, stellt die Entwicklung vereinfachter und für Serienfertigung geeigneter Technik für die Katalysator beschichtete Membranelektrode fortlaufend eine Herausforderung für Brennstoffzellenhersteller dar. Gemäß veröffentlichter US-Patentanmeldung 6,823,584 wird ein Verfahren zur beständigen Anfertigung der CCM beschrieben, wonach die Membran und die Elektrode unter Verwendung einer Pressanlage mit zweiseitiger Pressung verbunden werden und die CCM bei einer bestimmten Größe unter Verwendung verschiedenartiger Abtragetechniken abgetragen wird.
Zusammenfassend verwenden alle Verfahren aus dem Stand der Technik zur Anfertigung einer CCM eine unveränderte Protonenaustauschmembran, das heißt, dass die Protonenaustauschmembran und die Elektrode separat voneinander angefertigt werden. Dieser Art von Anfertigungsverfahren weisen einen verhältnismäßig komplizierten Anfertigungsablauf auf, und dienen nicht dazu, Kosten zu reduzieren, und eignen sich schon gar nicht für die Massenproduktion.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anfertigung einer Katalysator beschichteten Membranelektrode (CCM), wobei die Anfertigung einer Protonenaustauschmembran und die Anfertigung einer Elektrode einheitlich durgeführt werden.
Technische Lösungen sind, wie folgt, implementiert:
Ein Verfahren zur einheitlichen Anfertigung einer Katalysator beschichteten Membranelektrode umfasst Anfertigungsprozesse für die Membran und die Katalysator beschichtete Membranelektrode, wobei das Verfahren dadurch charakterisiert ist, dass die angefertigte Protonenaustauschmembran mit Protonenaustauschharzlösung anhand einem der Verfahren zum Spritzgießen, Tauchlackieren oder Aufsprühen beschichtet wird und durch Trocknen ein Rohling der Protonenaustauschmembran ohne weitere Nachbehandlung gebildet wird; wobei die CCM anhand einer direkten Beschichtung beider Seiten des Rohlings der angefertigen Protonenaustauschmembran mit Elektrodenpaste unter Verwendung eines der Verfahren zum Siebdrucken Lackieren oder Aufbürsten hergestellt wird, und wobei in Folge der Trocknung ein formstabiler CCM-Rohling gebildet wird, welcher daraufhin Ionenaustausch-, Hitze-, und Aktivierungsbehandlungen unterzogen wird.
Die Trocknung der Protonenaustauschharzlösungsmembran geschieht durch Erhitzung und Trocknung der Harzlösungsmembran, um Lösungsmittel im Verfahren zur Beschichtung mit der Harzlösung, wodurch die Membran ausgebildet wird, zu entfernen, sodann der Rohling der Protonenaustauschmembran gewonnen wird, und wobei die Heiztemperatur zwischen 50 und 150°C liegt.
Die Erhitzung und Trocknung der Protonenaustauschharzlösungsmembran wird unter Verwendung einer Heizplatteheizung durchgeführt.
Im Verfahren betreffend die Herstellung der CCM erfolgt die Trocknung der Elektrodenpaste dadurch, dass die Elektrodenpaste gleichzeitig erhitzt und getrocknet wird, um die Lösungsmittel in der Elektrodenpaste im Beschichtungsprozeß beider Seiten des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit der Elektrodenpaste zu entfernen, und sodann der CCM-Rohling gewonnen wird, und wobei die Heiztemperatur zwischen 50 und 150°C ist.
Im Prozeß zur Beschichtung beider Seiten des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit der Elektrodenpaste werden gleichzeitig eine Hitzebehandlung, Trocknung und Entfernung der Lösungsmittel in der Elektrodenpaste unter Verwendung einer Heizplattenheizung durchgeführt.
Die Zusammensetzung des Rohlings ist entweder homogen oder gemischt.
Beim Verfahren zur Anfertigung des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit homogener Zusammensetzung wird die Protonenaustauschharzlösung auf die Trägerplatte gegossen oder aufgesprüht, und zur selben Zeit zur Entfernung der Lösungsmittel in der Protonenaustauschharzlösung erhitzt und getrocknet, wobei ein beständiger Rohling der Protonenaustauschmembran gewonnen wird. Dabei ist das Trägerfolienmaterial eine Edelstahlschiene oder eine Kunststofffolie.
Beim Verfahren zur Anfertigung des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit gemischter Zusammensetzung wird eine auseinandergefaltete, mikroporöse Folie oder Gewebe als gemischter Träger verwendet, und der gemischte Träger wird mit der Protonenaustauschharzlösung beschichtet und beklebt, und zur selben Zeit erhitzt und getrocknet wird, um die Lösungsmittel zu entfernen, und folglich ist ein formstabiler Rohling der Protonenaustauschmembran geschaffen.
Bei der Anfertigung des CCM-Rohlings unter Verwendung des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit homogener Zusammensetzung werden zuerst die eine Seite des Membranrohlings mit der Elektrodenpaste beschichtet, dann die Trägerfolienschiene abgelöst, wobei der Membranrohling mit der Elektrode an einer Seite umgedreht wird, und dann die andere Seite der Membran mit der Elektrodenpaste beschichtet und getrocknet wird.
Bei der Anfertigung des CCM-Rohlings unter Verwendung des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit der gemischten Zusammensetzung werden zuerst die eine Seite des Membranrohlings mit der Elektrodenpaste beschichtet, dann der Membranrohling umgedreht und die andere Seite des Membranrohlings mit der Elektrodenpaste beschichtet und getrocknet, wobei diese Beschichtung als separates Beschichtungsverfahren bezeichnet wird, oder es werden gleichzeitig beide Seiten des Membranrohlings mit der Elektrodenpaste beschichtet und getrocknet.
Bei den Schritten des Ionenaustauschs, der Hitzebehandlung und des Aktivierungsprozesses umfasst die Ionenaustauschbehandlung: Der CCM-Rohling wird für 0,5 bis 2 Stunden in eine Alkalilösung oder eine Salzlösung getaucht, um Ionenaustauschharz in der Elektrodenschicht in eine nicht mit Wasserstoffprotonen besetzte Form umzuwandeln. Dabei ist die Alkalilösung eine NaOH-Lösung oder eine KOH-Lösung, wobei die Salzlösung eine gesättigte NaCl-Lösung oder eine KCl-Lösung ist, und die Ionenaustauschtemperatur, zwischen Raumtemperatur und 100°C liegt.
Nach der Ionenaustauschbehandlung wird der CCM-Rohling für Hitzebehandlung in einen Ofen mit 100–250°C gelegt und für 3 bis 5 Stunden in inerter Atmosphäre gehalten.
Für die Aktivierungsbehandlung wird der CCM Rohling in 0,1 bis 1 M Schwefelsäurelösung getaucht, danach mit Wasser gewaschen, um die Protonenaustauschmembran und das Harz des CCM Rohlings in eine nicht mit Wasserstoffionen besetzte Form umzuwandeln.
Dabei erfolgt die Anfertigung der CCM entweder unter Verwendung der Protonenaustauschmembran mit homogener Zusammensetzung für die CCM oder unter Verwendung der Protonenaustauschmembran mit gemischter Zusammensetzung für die CCM.
Dabei läuft das Anfertigungsverfahren der CCM unter Verwendung der Protonenaustauschmembran mit homogener Zusammensetzung wie folgt ab:

1) Angefertigte Protonenaustauschharzlösung wird in einen Protonenaustauschharzlösungsbehälter gefüllt.
2) Angefertigte Elektrodenpaste wird in einen Pastenaufsprühbehälter gefüllt.
3) Eine Rollentransportanlage treibt die Edelstrahlschiene an, sich wiederholt zu drehen. Wenn die Edelstahlschiene den Beschichtungsbereich erreicht, wird die Protonenaustauschharzlösung im Behälter über ein Ablaufrohr über die Edelstahlschiene gegossen, und die Protonenaustauschharzlösung wird anhand eines Rührschabers über die Edelstahlschiene gleichmäßig verteilt.
4) Die mit der Protonenaustauschharzlösung beschichtete Edelstahlschiene wird in einen Heizkanal gefahren, um Lösungsmittel zu verdampfen und einen Rohling der Protonenaustauschmembran mit homogener Zusammensetzung zu schaffen.
5) Der Rohling der Protonenaustauschmembran mit homogener Zusammensetzung wird von der Edelstahlschiene abgestriffen, und die Edelstahlschiene wird weiter gedreht. Der abgestreifte Rohling der Protonenaustauschmembran mit homogener Zusammensetzung wird anhand eines anderen Transportrolle zu einer Aufsprühanlage gefahren, und die Elektrodenpaste wird anhand der Aufsprühanlage auf beide Seiten des Membranrohlings aufgesprüht.
6) Zur Ausbildung eines CCM-Rohlings wird der an beiden Seiten mit der Elektrodenpaste versehene Membranrohling erhitzt und getrocknet.
7) Der CCM-Rohling wird in eine NaCl-Lösung getaucht, und dann mit deionisiertem Wasser gewaschen, und schließlich wird die Flüssigkeit auf der Oberfläche des CCM-Rohlings anhand Wasser absorbierender Rollen entfernt.
8) Um eine vorgefertigte Form der CCM zu schaffen, wird der CCM-Rohling in Stickstoff-Atmosphäre erhitzt und getrocknet.
9) Die vorgefertigte Form der CCM wird in Schwefelsäurelösung getaucht, und dann mit deionisiertem Wasser gewaschen, und die Flüssigkeit auf der Oberfläche wird entfernt, um eine CCM-Elektrode mit homogener Zusammensetzung zu erhalten.

Dabei läuft das Anfertigungsverfahren der CCM unter Verwendung der Protonenaustauschmembran mit gemischter Zusammensetzung wie folgt ab:

1) Angefertigte Protonenaustauschharzlösung wird in einen Protonenaustauschharzlösungsbehälter einer Aufsprühanlage gefüllt.
2) Angefertigte, verdünnte Protonenaustauschharzlösung wird in einem Protonenaustauschharzlösungsbehälter gefüllt.
3) Angefertigte Elektrodenpaste wird in einen Pastenaufsprühbehälter gefüllt.
4) Mikroporöse PTFE-Folie wird auf dem Trägerrahmen fixiert, 5) Der Trägerrahmen wird zusammen mit der mikroporösen PTFE-Folie in die verdünnte Protonenaustauschharzlösung getaucht, gefolgt von einer Trocknung auf einer Heizplatte.
6) Die Protonenaustauschharzlösung wird anhand einer Aufsprühanlage auf beide Seiten der mikroporösen Folie, welche auf dem Trägerrahmen fixiert ist, gleichmäßig aufgesprüht. Die Temperatur der Heizplatte wird beibehalten und die Protonenaustauschharzlösung wird wiederholt aufgesprüht, bis die Membrandicke das vorgesehene Erfordernis erreicht, um einen Membranrohling auszubilden.
7) Die Elektrodenpaste wird gleichmäßig auf beide Seiten des Membranrohlings unter separater Verwendung der Elektrodenpastenaufsprühanlage aufgesprüht, die Temperatur wird beibehalten und die Elektrodenpaste wird wiederholt aufgesprüht, bis die Dicke der Elektrodenpaste das vorgesehene Erfordernis zur Ausbildung eines CCM-Rohlings erreicht.
8) Der CCM-Rohling wird von dem Trägerrahmen entfernt, in eine NaOH-Lösung getaucht und dann mit deionisiertem Wasser gewaschen und die Flüssigkeit auf der Oberfläche wird entfernt, um einen Na⁺ besetzten CCM-Rohling zu schaffen;
9) Der CCM-Rohling wird in Stickstoffatmosphäre erhitzt und getrocknet, um einen vorgefertigte Form der CCM zu erhalten.
10) Die vorgefertigte Form der CCM wird in Schwefelsäurelösung getaucht, und dann mit deionisiertem Wasser gewaschen, und die Flüssigkeit auf der Oberfläche wird entfernt, um eine CCM-Elektrode mit gemischter Struktur zu schaffen.

Das Verfahren zur Anfertigung der CCM gemäß vorliegenden Erfindung hat folgende charakteristischen Merkmale:

1) Durch Verwendung des Rohlings der Protonenaustauschmembran zur Anfertigung der CCM werden die Membran betreffende Vorbehandlungen und Abläufe zur Nachbehandlung vermieden, die Anfertigung der Membran und der Membranelektrode vereinheitlicht, wodurch das Anfertigungsverfahren vereinfacht wird, welches sich ganz besonders für Serienfertigung eignet und wodurch in der Produktion Effizienzsteigerung und Kostenreduktion erzielt werden.
2) Die Verwendung des Rohlings der Protonenaustauschmembran zur Anfertigung der CCM fördert die Verbesserung der Verbindung der Membran und der Elektrode und erhöht die Verlässlichkeit und Stabilität der Elektrode.
3) Die Anwendung der Ionenaustausch- und Hitzebehandlungen fördert die Verbesserung der elektrochemischen Aktivität und der Materialfestigkeit der CCM.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Vorliegende Erfindung wird in fünf Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen zeigen:
1 zeigt ein Diagramm betreffend das Anfertigungsverfahren nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 zeigt eine schematische Darstellung der Struktur der angefertigten CCM gemäß erster Ausführungsform vorlegender Erfindung,
3 zeigt eine Leistungskennlinie einer Brennstoffzelleneinheit, welche die angefertigte CCM gemäß erster Ausführungsform vorliegender Erfindung verwendet,
4 zeigt ein Diagramm betreffend das Anfertigungsverfahren nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
5 zeigt eine schematische Darstellung der Struktur der angefertigten CCM gemäß zweiter Ausführungsform vorliegender Erfindung,
In den Zeichnungen sind eine mikroporöse PTFE-Folie 101, ein Trägerrahmen 102, eine verflüssigte Protonenaustauschharzlösung 103 zur Anfertigung einer Katalysator beschichteten Membran unter Verwendung eines Rohlings einer Protonenaustauschmembran mit gemischter Zusammensetzung, ein mechanischer Arm 104, eine Protonenaustauschharzlösung 105 zur Anfertigung einer CCM unter Verwendung des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit gemischter Zusammensetzung, eine Elektrodenpaste 106 zur Anfertigung der CCM unter Verwendung des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit gemischter Zusammensetzung, eine Aufsprühanlage 107 zum Aufsprühen der Protonenaustauschharzlösung, eine Elektrodenpastenaufsprühanlage 108, eine Heizplatte 109, ein Stahlrahmen 110 auf der Heizplatte, ein Motor 111, ein CCM-Rohling 112, eine NaOH-Lösung 113, ein mit Na⁺ besetzter CCM-Rohling 114, ein Ofen 115, ein vorgefertigte Form 116 der CCM, 0,5 M Schwefelsäure 117, eine unter Verwendung des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit gemischter Zusammensetzung angefertigte CCM 118, der Rohling der Protonenaustauschmembran mit gemischter Zusammensetzung 202, eine Elektrodenschicht 201a, eine Elektrodenschicht 201b, eine Protonenaustauschharzlösung 401, eine Edelstahlschiene 402, ein Blechschaber 403, ein Heizkanal 404, ein Rohling 405 der Protonenaustauschmembran mit homogener Zusammensetzung, eine Elektrodenpaste 406a, eine Elektrodenpaste 406b, eine Aufsprühanlage 407, eine Heizplatte 408, eine Heizplatte 409, eine Aufsprühanlage 410, ein mit der Elektrodenschicht beschichteter Rohling 411 der CCM, ein Becken 412 für eine NaCl-Lösung, ein Becken 413 für deionisiertes Wasser, eine Wasser absorbierende Rolle 414, eine Trocknungskanal 415, eine vorgefertigte Form 416 der CCM, eine Elektrodenschicht 501a, eine Elektrodenschicht 501b, eine Protonenaustauschmembran 502 mit homogener Zusammensetzung gezeigt.
AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Das erfindungsgemäße Verfahren zur einheitlichen Anfertigung der Katalysator beschichteten Membranelektrode für eine Brennstoffzelle umfasst die Anfertigung eines Rohlings einer Protonenaustauschmembran und der Katalysator beschichteten Membranelektrode (CCM), Ionenaustausch-, Hitze- und Aktiverungsbehandlungen des CCM-Rohlings.
Das Verfahren zur Anfertigung des Rohlings der Protonenaustauschmembran läuft wie folgt ab: Eine Trägerfolie wird durch Spritzgießen, Tauchlackieren oder Aufsprühren einer Protonenaustauschharzlösung mit der Protonenaustauschmembran beschichtet, und der Rohling der Protonenaustauschmembran wird nach Erhitzung und Trocknung zur Entfernung von Lösungsmitteln gewonnen. Die verwendete Protonenaustauschharzlösung umfasst Protonenaustauschharz und Lösungsmittel. Der Gehalt an Protonenaustauschharz in der Protonenaustauschharzlösung beträgt 3–20 Gew.-%. Das Protonenaustauschharz kann eines von perfluoriertem, teilweise fluoriertem Sulfonsäureharz und Fluor-Harz sein, das Lösungsmittel können nur eine Art von Lösungsmittel oder eine Lösungsmittelmischung sein, welche Alkohole, Wasser und hochsiedende, polare Lösungsmittel umfassen. Alkohole können eines von mehreren von Methanol, Ethanol, Propanol, Isopropanol und N-Butanol sein, das hochsiedende Lösungsmittel kann eines von mehreren von N,N-Dimethylformamiden, N,N-Dimethyl Acetamiden, Dimethyl Sulfoxiden und 1-Methyl-2-Pyrrolidon sein. Die Zusammensetzung des Rohlings der Protonenaustauschmembran kann entweder homogen oder gemischt sein. Die Trägerfolie zur Anfertigung des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit homogener Zusammensetzung ist entweder eine Edelstahlschiene oder eine Kunststofffolie. Der Träger zur Anfertigung des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit gemischter Zusammensetzung ist entweder eine mikroporöse Folie oder ein Gewebe. Für den Membrantransport kann eine Walze mit einem Feststellapparat oder einem Trägerrahmen verwendet werden. Die Trocknung des Rohlings der Protonenaustauschmembran wird anhand einer Heizplattenheizung zur selben Zeit wie das Verfahren zur Beschichtung des Protonenaustauschharzes durchgeführt und die Temperatur liegt zwischen 50 und 150°C.
Das Verfahren zur Anfertigung des CCM-Rohlings läuft wie folgt ab: Beide Seiten des Rohlings der Protonenaustauschmembran werden anhand Siebdruck-, Lackier- oder Aufbürstverfahren mit der Elektrodenpaste beschichtet, und zur selben Zeit wird die Elektrodenpaste zur Entfernung von Lösungsmitteln erhitzt und getrocknet, um den formstabilen CCM-Rohling auszubilden. Die Elektrodenpaste umfasst einen Elektrokatalysator, Protonenaustauschharz und Dispergiermittel. Der Elektrokatalysator ist Katalysator gestützt und der Katalysatorträger ist einer von mehreren von Ruß, Kohlenstoffnanostruktur, Karbonwhisker TiO₂ und dergleichen. Aktiver Bestandteil in dem Katalysator ist einer von mehreren von Pt, Pt-Pd, Pt-Ru etc. und die Menge des aktiven Bestandteils beträgt 20–70 Gew.-%. Das Protonenaustauschharz in der Elektrodenpaste ist eines von perfluoriertem, teilweise fluoriertem Sulfonsäureharz und Fluor-Harz. Das Dispergiermittel in der Elektrodenpaste ist eines von mehreren von Wasser, Alkohol, Ester und Äther. Die Trocknung des Rohlings der Protonenaustauschmembran wird anhand einer Heizplattenheizung zur selben Zeit wie das Verfahren zur Beschichtung des Protonenaustauschharzes durchgeführt und die Temperatur liegt zwischen 50 und 150°C. Wenn der CCM unter Verwendung des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit homogener Zusammensetzung angefertigt wird, wird eine Seite des Membranrohlings mit der Elektrodenpaste beschichtet und die Elektrodenpaste getrocknet, und darauf wird die Trägerfolie abgestreift und der Membranrohling wird umgedreht und die andere Seite des Membranrohlings wird mit der Elektrodenpaste beschichtet und die Elektrodenpaste getrocknet. Wenn der CCM unter Verwendung des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit gemischter Zusammensetzung angefertigt wird, können beide Seiten der Membran getrennt voneinander oder gleichzeitig mit der Elektrodenpaste beschichtet werden. Gemäß vorliegender Erfindung wird die Ausbildung der CCM durch Ionenaustausch, Hitze- und Aktivierungsbehandlung des CCM-Rohlings vervollständigt. Ionenaustausch geschieht durch Eintauchen des CCM-Rohlings in eine Alkalilösung oder eine Salzlösung, um ein Ionenaustauschharz in eine nicht Wasserstoffionen besetzte Form umzuwandeln. Die Alkalilösung ist eine NaOH- oder KOH-Lösung, die Salzlösung ist eine gesättigte NaCl- oder KCl-Lösung, die Tauchtemperatur liegt zwischen Raumtemperatur und 100°C und die Eintauchzeit liegt zwischen 0,5–2 Stunden. Nach dem Ionenaustausch wird der CCM-Rohling zur Hitzebehandlung in einen Ofen bei 100–250°C und bei inerter Atmosphäre eingesetzt und die Temperatur wird für 2–5 Stunden beibehalten. Für die Aktiverungsbehandlung wird der CCM-Rohling in eine 0,1–1 M Schwefelsäurelösung getaucht und mit Wasser gewaschen, um die Protonenaustauschmembran und das Harz im CCM-Rohling in eine Wasserstoffionen besetzte Form umzuwandeln.
Erstes Ausführungsbeispiel
Die CCM wird unter Verwendung des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit gemischter Zusammensetzung angefertigt und spezifische Anfertigungsprozesse verlaufen wie folgt:

1. Anfertigung der Protanenaustauschharzlösung 105: eine bestimmte Menge von N,N-äurDimethyl Acetamiden wird einer 5 Gew.-% perfluorierten Sulfonselösung hinzugefügt, dann wird das Gemisch für die Verwendung im folgenden Verfahren per Ultraschall Lösungsmittdurchgerührt: Das elsystem der perfluorierten Sulfonsäureharzlösung umfasst n-Propanol und Wasser. Das Massenverhältnis der N,N-Dimethyl Acetamiden zu Protonenaustauschharz verhält sich 1 zu 1.
2. Anfertigung von verdünnter Protonenaustauschharzlösung 104: 5 Gew.-% perfluorierter Sulfonsäureharzlösung ist mit Lösungsmitteln von 1 Gew.-% verdünnt, dann wird eine bestimmte Menge an N,N-Dimethyl Acetamiden hinzugefügt und zur Verwendung im ablauf per Ultaschall durchgerührt. Das Massweiteren Verfahrenseverhältnis von N,N-Dimethyl Acetamiden zum Protonenaustauschharz ist 2:1.
3. Anfertigung von Elektrodenpaste 106: 70 Gew.-% Pt/C Katalysator, 5 Gew.-% perfluorierte Sulfonsäureharzlösung und Isopropyalkohol als Dispergiermittel werden gewogen und in einem Wägeglas positioniert, worin das Masseverhältnis von Katalysator Masszu perfluoriertem Sulfonsäureharz bei 2 zu 1 liegt und das everhältnis des Katalysators zum Dispergiermittel bei 1 zu 300. Die oben genannten Materialien werden in einem Ultraschallgenerator platziert und per Ultraschall für 30 Minuten durchgerührt, um eine Elektrodenpaste auszubilden.
4. Die mikroporöse PTFE-Folie 101 wird am Trägerrahmen 102 befestigt.
5. Der Trägerrahmen mit mikroporöser Folie wird in eine verdünnte Lösung 103 für 15 Minuten infiltriert und dann zur Trocknung auf der Heizplatte bei 90°C herausgezogen.
6. Die Aufsprühanlage 107 wird gestartet, um die Protonenaustauschharzlösung 105 gleichmäßig auf beiden Seiten der mikroporösen Folie 110 zu sprühen, welche auf dem Trägerrahmen befestigt ist, und entsprechend zu selben Zeit wird die Temperatur der Heizplatte 109 bei 90–120°C gehalten. Das Aufsprühen wird solange wiederholt, bis die Membrandicke das vorgesehene Erfordernis erreicht, um den Membranrohling auszubilden.
7. Die Aufsprühanlage 108 wird gestartet, um die Elektrodenpaste 106 gleichmäßig auf beiden Seiten des Membranrohlings zu sprühen, und entsprechend zu selben Zeit wird die Temperatur der Heizplatte 109 bei 90–120°olangC gehalten. Das Aufsprühen wird se wiederholt, bis die Membrandicke das vorgesehene Erfordernis erreicht, um den CCM-Rohling auszubilden.
8. Der CCM-Rohling 112 wird von dem Trägerrahmen entfernt und bei 80°C für eine Stunde in eine Lösung 113 mit 1 Gew.-% NaOH getaucht. Der CCM-Rohling wird wiederholt mit deionisiertem Wasser gewaschen. Nach Entfernung der Flüssigkeit auf der Oberfläche ist ein CCM-Rohling in Na⁺ besetzter Form 114 geschaffen.
9. Der CCM-Rohling in Na⁺ besetzter Form 114 wird bei 140°C in einem Ofen 115 platziert und für vier Stunden in einer N₂phär-Atmose getrocknet und folglich ist eine vorgefertigte Form der CCM 116 geschaffen.
10. Die vorgefertigte Form der CCM 116äur wird in 0,5 M Schwefelselösung bei 80°C für eine Stunde getaucht und wiederholt mit deionisiertem Wasser gewaschen. Nach Entfernung der Flüssigkeit auf der Oberfläche ist eine gemischte CCM 118 geschaffen.

Die Zusammensetzung der gemischten CCM, welche gemäß oben genannten Schritten angefertigt ist, ist in 2 gezeigt. Das Membranrohling ist ein gemischter Membranrohling 202 und 203 und die Dicke beträgt 10–100 μm, und entsprechend liegt die Katalysatorbeladung der Elektrodenschicht bei 0,4–0,05 mg Pt/cm². Die CCM und zwei Gasdiffusionsschichten werden zusammenlaminiert, um die CCM-Komponenten anzufertigen und in eine Brennstoffzelle einzubauen. Ihre Leistungsfähigkeit ist in 3 gezeigt. Die Testbedingungen sind wie folgt: Die aktive Region der Elektrode ist 35 cm³, das Arbeitsgas ist H₂, die Luft bei Atmosphärendruck, die relative Luftfeuchte liegt bei 100% und die Zellentemperatur bei 60°C.
Zweites Ausführungsbeispiel
Die CCM wird unter Verwendung des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit homogener Zusammensetzung angefertigt und spezifische Anfertigungsprozesse verlaufen wie folgt:

1. Anfertigung der Protonenaustauschharzlösung 401: sulfoniertes Polyphenylen Ether Sulfon wird in gemischten Lösungsmitteln von N,N-Dimetyl Acetamiden und Tetrahydrofuran aufgelöst, worin die Menge von sulfoniertem Polyphenylen Ether Sulfon 15 Gew.-% beträgt und das Massenverhältnis von N,N-Dimethyl Acetamiden zu Tetrahydrofuran bei 2 zu 1 liegt.
2. Anfertigung von Elektrenpaste 406: 40 Gew.-% Pt/C Katalysator, 5 Gew.-% perfluorierter Sulfonsäureharzlösung, Ethylenglycol und Isopropanol als Dispergiermittel Masswerden gewogen und in einem Wägeglas positioniert, worin das everhältnis von MassKatalysator zu perfluoriertem Sulfonsäureharz bei 3,5 zu 1 liegt, das everhältnis des Katalysators zum Dispergiermittel bei 1 zu 300 und das Masseverhältnis von Ethylenglycol zu Isopropanol im Dispergiermittel bei 1 zu 5. Die oben genannten Materialien werden in einem Ultraschallgenerator platziert und per Ultraschall für 30 Minuten durchgerührt, um eine Elektrodenpaste auszubilden.
3. Die Edelstahlschiene 402 wird mit einer Transportrolle zum Arbeitsbereich einer Beschichtungsmaschine gebracht und die in Schritt 1 angefertigte Protonenaustauschharzlösung 401 wird über ein Ablaufrohr auf die Edelstahlschiene gegossen, gefolgt von einer gleichmäßigen Verteilung der Lösung auf der Edelstahlschiene anhand eines Rührschabers 403.
4. Die mit der Protonenaustauschharzlösung beschichtete Edelstahlschiene wird in den Heizkanal 404 gebracht und die Temperatur wird zwischen 60–130°C gesteuert, so dass die Lösungsmittel verdampfen und darauf wird ein Rohling mit homogener Zusammensetzung 405 geschaffen.
5. Nach Abstreifen des Membranrohlings mit homogener Zusammensetzung von der Edelstahlschiene wird dieser in die Aufsprühanlage 407prühanlag bewegt, dann die Aufse 407 gestartet. Die in Schritt 2 angefertigte Elektrodenpaste 406 wird gleichmäßig auf eine Seite des Membranrohlings verteilt, und die Temperatur der Heizplatte wird auf 90–120°C gehalten, um die Elektrodenpaste zu trocken und einen einseitigen CCM-Rohling auszubilden.
6. Der einseitige CCM-Rohling wird anhand einer Rolle zu einer Aufsprühanlage 410 transportiert. Die in Schritt 2 angefertigte Elektrodenpaste 406 wird gleichmäßig auf die andere Seite des einseitigen CCM-Rohlings verteilt, und die Temperatur der Heizplatte wird auf 90–120°C gehalten, um die Elektrodenpaste zu trocken und einen zweiseitigen CCM-Rohling auszubilden.
7. Der CCM-Rohling 411 wird zu einem Becken 412 gebracht und bei 60°C eingetaucht, welche mit einer Lösung mit 30 Gew.-% NaCl gefüllt ist, und darauf zu einem Wasserbecken 413 gebracht und in deionisiertem Wasser gewaschen und die Flüssigkeit auf der Oberfläche des CCM-Rohlings wird anhand einer Wasser absorbierenden Rolle 414 entfernt.
8. Der CCM-Rohling wird in einen Trocknungskanal bei 180°C gebracht und in N₂ Atmosphäre getrocknet, und folglich ist eine vorgefertigte Form einer CCM 416 geschaffen.
9. Die vorgefertigte Form der CCM 416äur wird in 0,5 M Schwefelselösung bei 80°C für eine Stunde getaucht und wiederholt mit deionisiertem Wasser gewaschen. Nach Entfernung der Flüssigkeit auf der Oberfläche ist eine CCM mit homogener Zusammensetzung geschaffen.

Die Zusammensetzung der CCM, welche gemäß oben genannten Schritten angefertigt ist, ist in 5 gezeigt, die Dicke des Membranrohlings mit homogener Zusammensetzung 502 beträgt 10–100 μm, die Dicke der Elektrodenschichten 501a und 501b beträgt 3–15 μm und entsprechend liegt die Katalysatorbeladung in der Elektrode bei 0,4–0,05 mg Pt/cm².
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5330860 [0003]
US 5211984 [0003]
CN 2004100120745 [0004]
US 7041191 [0004]
CN 200410012744 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Wilson et al. (”Thin film catalyst layers for polymer electrolyte fuel cell electrode” by M. S. Wilson and S. Gottesfeld, Journal of Applied Electrochemistry 1992, 22: 1–7, ”High performance catalyzed membranes of ultra-low PT loadings” by M. S. Wilson and S. Gottesfeld, Journal of Electrochem. Soc., 1992, 139(2): L28–130) [0002]

Claims

Verfahren zur einheitlichen Anfertigung einer Membrankatalysator beschichteten Membranelektrode für eine Brennstoffzelle, welches Anfertigungsabläufe für die Membran und die Katalysator beschichtete Membranelektrode umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Protonenaustauschmembran durch Spritzgießen, Tauchlackieren oder Aufsprühren einer Protonenaustauschharzlösung, durch Trocknen zur Ausbildung eines Rohlings und ohne weitere Nachbehandlung angefertigt wird; die Katalysator beschichtete Membranelektrode, d. h. CCM, wird unmittelbar dadurch hergestellt, dass die zwei Seiten des Rohlings der angefertigten Protonenaustauschmembran mit Elektodenpaste anhand eines Siebdruck-, Lackier- oder Aufbürstverfahrens beschichtet werden, und nach dem Trocknen ist ein formstabiler CCM-Rohling ausgebildet, und daraufhin wird am CCM-Rohling ein Ionenaustausch, eine Hitzebehandlung und eine Aktivierungsbehandlung ausgeführt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Trocknung der Protonenaustauschharzlösungsmembran die Erhitzung und Trocknung der Härzlösungsmembran zur Entfernung von aus dem Verfahren der Beschichtung der Harzlösung zur Ausbildung einer Membran herrührenden Lösungsmitteln umfasst, und daraufhin der Rohling aus der Protonenaustauschmembran geschaffen wird und die Heiztemperatur zwischen 50 und 150°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Hitzebehandlung und Trocknung der Protonenaustauschharzlösungsmembran unter Verwendung einer Heizplattenheizung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Verfahren zur Herstellung der CCM die Trocknung der Elektrodenpaste dadurch erfolgt, dass die Elektrodenpaste gleichzeitig erhitzt und getrocknet wird, um die Lösungsmittel in der Elektrodenpaste im Beschichtungsprozeß beider Seiten des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit der Elektrodenpaste zu entfernen, und daraufhin wird der formstabile Rohling geschaffen, und wobei die Heiztemperatur zwischen 50 und 150°C ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei beim Prozeß zur Beschichtung beider Seiten des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit der Elektrodenpaste gleichzeitig eine Hitzebehandlung, Trocknung und Entfernung der Lösungsmittel in der Elektrodenpaste unter Verwendung einer Heizplattenheizung durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung des Rohlings entweder homogen oder gemischt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei beim Verfahren zur Anfertigung des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit homogener Zusammensetzung die Protonenaustauschharzlösung auf die Trägerfolie gegossen oder aufgesprüht wird, und zur selben Zeit zur Entfernung der Lösungsmittel in der Protonenaustauschharzlösung erhitzt und getrocknet wird, wobei ein beständiger Rohling der Protonenaustauschmembran geschaffen wird, wobei beim Verfahren zur Anfertigung des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit gemischter Zusammensetzung eine auseinandergefaltete, mikroporöse Folie oder Gewebe als gemischter Träger verwendet wird, und wobei der gemischte Träger mit der Protonenaustauschharzlösung beschichtet und beklebt wird, und zur selben Zeit erhitzt und getrocknet wird, um die Lösungsmittel zu entfernen, und folglich wird ein formstabiler Rohling der Protonenaustauschmembran geschaffen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Trägerfolie zur Anfertigung des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit homogener Zusammensetzung aus einer Edelstahlschiene oder Kunststoffgewebe angefertigt wird; wobei der gemischte Träger zur Anfertigung des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit gemischter Zusammensetzung aus mikroporöser Folie und Gewebe angefertigt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei für die Anfertigung des CCM-Rohlings unter Verwendung des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit homogener Zusammensetzung zuerst die eine Seite des Membranrohlings mit der Elektodenpaste beschichtet wird, dann die Trägerfolienschiene abgelöst wird, und wobei der Membranrohling mit der Elektrode an einer Seite umgedreht wird, dann die andere Seite der Membran mit der Elektodenpaste beschichtet und getrocknet wird; wobei für die Anfertigung des CCM-Rohlings unter Verwendung des Rohlings der Protonenaustauschmembran mit der gemischten Zusammensetzung zuerst die eine Seite des Membranrohlings mit der Elektodenpaste beschichtet wird, dann der Membranrohling umgedreht und die andere Seite des Membranrohlings mit der Elektodenpaste beschichtet und getrocknet wird, wobei diese Beschichtung als separates Beschichtungsverfahren bezeichnet wird, oder wobei gleichzeitig beide Seiten des Membranrohlings mit der Elektodenpaste beschichtet und getrocknet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei den Schritten des Ionenaustauschs, der Hitzebehandlung und des Aktivierungsprozesses die Ionenaustauschbehandlung umfasst: Der CCM-Rohling wird für 0,5 bis 2 Stunden in eine Alkalilösung oder eine Salzlösung getaucht, um Ionenaustauschharz in der Elektrodenschicht in eine nicht mit Wasserstoffprotonen besetzte Form umzuwandeln; wobei die Alkalilösung eine NaOH-Lösung oder eine KOH-Lösung ist, und wobei die Ionenaustauschtemperatur zwischen Raumtemperatur und 100°C liegt; wobei nach der Ionenaustauschbehandlung der CCM-Rohling für Hitzebehandlung in einen Ofen mit 100–250°C gelegt und für 3 bis 5 Stunden in inerter Atmosphäre gehalten wird; wobei für die AKtivierungsbehandlung der CCM-Rohling in 0,1 bis 1 M Schwefelsäurelösung getaucht wird, danach mit Wasser gewaschen wird, um die Protonenaustauschmembran und das Harz des CCM-Rohlings in eine nicht mit Wasserstoffprotonen besetzte Form umzuwandeln.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anfertigung der CCM entweder unter Verwendung der Protonenaustauschmembran mit homogener Zusammensetzung für die CCM oder unter Verwendung der Protonenaustauschmembran mit gemischter Zusammensetzung für die CCM erfolgt; wobei das Anfertigungsverfahren der CCM unter Verwendung der Protonenaustauschmembran mit homogener Zusammensetzung umfasst: 1) angefertigte Protonenaustauschharzlösung wird in einen Protonenaustauschharzlösungsbehälter gefüllt; 2) angefertigte Elektrodenpaste wird in einen Pastenaufsprühbehälter gefüllt; 3) eine Rollentransportanlage treibt die Edelstrahlschiene an, sich wiederholt zu drehen; wenn die Edelstahlschiene den Beschichtungsbereich erreicht, wird die Protonenaustauschharzlösung im Behälter über ein Ablaufrohr über die Edelstahlschiene gegossen, und die Protonenaustauschharzlösung wird anhand eines Rührschabers über die Edelstahlschiene gleichmäßig verteilt; 4) Die mit der Protonenaustauschharzlösung beschichtete Edelstahlschiene wird in einen Heizkanal gefahren, um Lösungsmittel zu verdunsten und einen Rohling der Protonenaustauschmembran mit homogener Zusammensetzung zu schaffen; 5) der Rohling der Protonenaustauschmembran mit homogener Zusammensetzung wird von der Edelstahlschiene abgestriffen, und die Edelstahlschiene wird weiter gedreht; der abgestreifte Rohling der Protonenaustauschmembran mit homogener Zusammensetzung wird anhand eines anderen Transportrolle zu einer Aufsprühanlage gefahren, und die Elektrodenpaste wird anhand der Aufsprühanlage auf beide Seiten des Membranrohlings aufgesprüht; 6) zur Ausbildung eines CCM-Rohlings wird der an beiden Seiten mit der Elektrodenpaste versehene Membranrohling erhitzt und getrocknet; 7) der CCM-Rohling wird in eine NaCl-Lösung getaucht, und dann mit deionisiertem Wasser gewaschen, und schließlich wird die Flüssigkeit auf der Oberfläche des CCM-Rohlings anhand Wasser absorbierender Rollen entfernt; 8) um eine vorgefertigte Form der CCM zu schaffen, wird der CCM-Rohling in Stickstoff-Atmosphäre erhitzt und getrocknet; 9) die vorgefertigte Form der CCM wird in Schwefelsäurelösung getaucht, und dann mit deionisiertem Wasser gewaschen, und die Flüssigkeit auf der Oberfläche wird entfernt, um eine CCM-Elektrode mit homogener Zusammensetzung zu erhalten; wobei das Anfertigungsverfahren der CCM unter Verwendung der Protonenaustauschmembran mit gemischter Zusammensetzung umfasst: 1) angefertigte Protonenaustauschharzlösung wird in einen Protonenaustauschharzlösungsbehälter einer Aufsprühanlage gefüllt; 2) angefertigte, verdünnte Protonenaustauschharzlösung wird in einem Protonenaustauschharzlösungsbehälter gefüllt; 3) angefertigte Elektrodenpaste wird in einen Pasteaufsprühbehälter gefüllt; 4) mikroporöse PTFE-Folie wird auf dem Trägerrahmen fixiert; 5) der Trägerrahmen wird zusammen mit der mikroporösen PTFE-Folie in die verdünnte Protonenaustauschharzlösung getaucht, gefolgt von einer Trocknung auf einer Heizplatte; 6) die Protonenaustauschharzlösung wird anhand einer Aufsprühanlage auf beide Seiten der mikroporösen Folie, welche auf dem Trägerrahmen fixiert ist, gleichmäßig aufgesprüht; die Temperatur der Heizplatte wird beibehalten und die Protonenaustauschharzlösung wird wiederholt aufgesprüht, bis die Membrandicke das vorgesehene Erfordernis erreicht, um einen Membranrohling auszubilden; 7) die Elektrodenpaste wird gleichmäßig auf beide Seiten des Membranrohlings aufgesprüht unter separater Verwendung der Elektrodenpastenaufsprühanlage, die Temperatur wird beibehalten und die Elektrodenpaste wird wiederholt aufgesprüht, bis die Dicke der Elektrodenpaste das vorgesehene Erfordernis zur Ausbildung eines CCM-Rohlings erreicht; 8) der CCM-Rohling wird von dem Trägerrahmen entfernt und in eine NaOH-Lösung getaucht, und dann mit deionisiertem Wasser gewaschen, und die Flüssigkeit auf der Oberfläche wird entfernt, um einen mit Na⁺ besetzten CCM-Rohling zu schaffen; 9) der CCM-Rohling wird in Stickstoffatmosphäre erhitzt und getrocknet, um eine vorgefertigte Form der CCM zu schaffen; 10) die vorgefertigte Form der CCM wird in Schwefelsäurelösung getaucht, und dann mit deionisiertem Wasser gewaschen, und die Flüssigkeit auf der Oberfläche wird entfernt, um eine CCM-Elektrode mit gemischter Struktur zu gewinnen.