DE112015001244B4

DE112015001244B4 - Membran-Elektroden-Anordnung

Info

Publication number: DE112015001244B4
Application number: DE112015001244.3T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Akita
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2015-03-06
Publication date: 2023-08-31
Anticipated expiration: 2035-03-07
Also published as: DE112015001244T5; US20160372773A1; JP6131973B2; KR20160029101A; CN105474442B; JP2015187978A; US9793565B2; KR101773726B1; WO2015136905A1; CN105474442A

Abstract

Membran-Elektroden-Anordnung (50) umfassend:eine verstärkte Elektrolytmembran (1 0c), die eine Elektrolytmembran (10), eine auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran (10) angeordnete erste Verstärkungsfolie (11) und eine auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran (10) angeordnete zweite Verstärkungsfolie (12) umfasst;eine anodenseitige Katalysatorschicht (20), die auf einer Oberfläche einer Seite der verstärkten Elektrolytmembran (10c) angeordnet ist, auf der die erste Verstärkungsfolie (11) angeordnet ist; undeine kathodenseitige Katalysatorschicht (30), die auf einer Oberfläche einer Seite der verstärkten Elektrolytmembran (10c) angeordnet ist, auf der die zweite Verstärkungsfolie (12) angeordnet ist, wobeidie zweite Verstärkungsfolie (12) einen Oberflächenelastizitätsmodul kleiner als der Oberflächenelastizitätsmodul der ersten Verstärkungsfolie (11) aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verstärkte Elektrolytmembran und eine Membran-Elektroden-Anordnung.
Stand der Technik
Eine vorbekannte Ausgestaltung einer verstärkten Elektrolytmembran weist Verstärkungsfolien auf, die an entsprechenden Flächen eines Elektrolyts vorgesehen werden. Die verstärkte Elektrolytmembran kann beispielsweise durch Druckverklebung unter Wärmeanwendung (Thermokompression) hergestellt werden, indem ein erwärmtes und geschmolzenes Elektrolytharz mit von den jeweiligen Seiten des Elektrolytharzes zugeführten porösen Verstärkungsfolien verpresst wird (zum Beispiel JP 2008- 004 344 A ). Zum Stand der Technik wird zudem auf die JP 2008- 277 288 A , die JP 2011- 146 256 A , die DE 10 2006 046 724 A1 sowie die US 2005 / 0 260 476 A1 verwiesen.
Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
Um die Festigkeit der verstärkten Elektrolytmembran zu erhöhen, wird allgemein eine Erhöhung des Elastizitätsmoduls an der Oberfläche der verstärkten Elektrolytmembran bevorzugt. Im Verfahren der Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung mithilfe der verstärkten Elektrolytmembran fanden jedoch bisher der Elastizitätsmodul einer kathodenseitig angeordneten Fläche und der Elastizitätsmodul einer anodenseitig angeordneten Fläche keine besondere Beachtung. Dementsprechend besteht ein Bedarf an einem Verfahren, das die Stromerzeugungsleistung verbessert und gleichzeitig die Festigkeit der verstärkten Elektrolytmembran erhöht. Was die verstärkte Elektrolytmembran aus dem Stand der Technik und die Membran-Elektroden-Anordnung aus dem Stand der Technik betrifft, so bedarf es dort ferner einer Vereinfachung des Herstellungsprozesses und einer Senkung der Kosten.
Problemlösung
Um die obigen Probleme wenigstens teilweise zu lösen, kann die Erfindung nach folgendem Aspekt realisiert werden.

(1) Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Membran-Elektroden-Anordnung bereitgestellt. Die Membran-Elektroden-Anordnung umfasst: eine verstärkte Elektrolytmembran, die eine Elektrolytmembran, eine auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnete erste Verstärkungsfolie und eine auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnete zweite Verstärkungsfolie umfasst; eine anodenseitige Katalysatorschicht, die auf einer Oberfläche einer Seite der verstärkten Elektrolytmembran angeordnet ist, auf der die erste Verstärkungsfolie angeordnet ist; und eine kathodenseitige Katalysatorschicht, die auf einer Oberfläche einer Seite der verstärkten Elektrolytmembran angeordnet ist, auf der die zweite Verstärkungsfolie angeordnet ist. Die zweite Verstärkungsfolie weist einen Oberflächenelastizitätsmodul auf, der niedriger ist als der Oberflächenelastizitätsmodul der zweiten Verstärkungsfolie. In der Membran-Elektroden-Anordnung des vorliegenden Aspekts ist der Oberflächenelastizitätsmodul der kathodenseitig angeordneten zweiten Verstärkungsfolie niedriger als der Oberflächenelastizitätsmodul der anodenseitig angeordneten ersten Verstärkungsfolie. Dies erhöht die Haftung der verstärkten Elektrolytmembran an der kathodenseitigen Katalysatorschicht, die den höheren Beitrag zur Stromerzeugungsleistung aufweist. Dies führt zu einer Verbesserung der Stromerzeugungsleistung der Membran-Elektroden-Anordnung. Der Oberflächenelastizitätsmodul der anodenseitigen Verstärkungsfolie ist größer als der Oberflächenelastizitätsmodul der kathodenseitigen Verstärkungsfolie. Diese Ausgestaltung sichert die ausreichende Festigkeit der Membran-Elektroden-Anordnung als Ganzes und verbessert gleichzeitig die Stromerzeugungsleistung der Membran-Elektroden-Anordnung.

Neben dem oben beschriebenen Aspekt kann die Erfindung noch durch verschiedene andere Aspekte realisiert werden. Beispielsweise kann die Erfindung durch solche Aspekte realisiert werden wie eine Brennstoffzelle, in der die verstärkte Elektrolytmembran oder die Membran-Elektroden-Anordnung enthalten ist, und eine Vorrichtung zur Herstellung der verstärkten Elektrolytmembran oder der Membran-Elektroden-Anordnung.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Membran-Elektroden-Anordnung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung einer verstärkten Elektrolytmembran;
3 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Prozesse der Schritte S100 bis S104 in 2;
4 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Prozesse der Schritte S106 bis Schritt S108 in 2;
5 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Prozesse der Schritte S110 bis Schritt S112 in 2;
6 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Prozesse der Schritte S114 bis Schritt S116 in 2;
7 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Prozesses von Schritt S118 in 2;
8 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung;
9 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung von 8;
10 ist eine Tabelle mit den Messergebnissen für den Oberflächenelastizitätsmodul;
11 ist ein Diagramm und zeigt das Verhältnis zwischen der Stromdichte und der mittleren Zellspannung; und
12 ist eine Tabelle mit den Messergebnissen für den Oberflächenelastizitätsmodul nach Auswertung der Stromerzeugungsleistung.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
A. Erste Ausführungsform
A1. Ausgestaltung einer Membran-Elektroden-Anordnung
1 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 50 nach einer Ausführungsform der Erfindung. Die MEA 50 weist eine verstärkte Elektrolytmembran 10c, eine anodenseitige Katalysatorschicht 20 und eine kathodenseitige Katalysatorschicht 30 auf. Die verstärkte Elektrolytmembran 10c ist eine Membran, die ausgebildet wird, indem eine Elektrolytmembran 10, eine auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 10 angeordnete erste Verstärkungsfolie 11 und eine auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran 10 angeordnete zweite Verstärkungsfolie 12 zusammen integriert werden. Die erste Verstärkungsfolie 11 und die zweite Verstärkungsfolie 12 sind poröse Folien, die Poren aufweisen. Die Poren der ersten Verstärkungsfolie 11 und der zweiten Verstärkungsfolie 12 sind mit einem Teil des Elektrolyts der Elektrolytmembran 10 verfüllt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die verstärkte Elektrolytmembran 10c so ausgebildet, dass eine Oberfläche auf der Seite der zweiten Verstärkungsfolie 12 einen geringeren Elastizitätsmodul als eine Oberfläche auf der Seite der ersten Verstärkungsfolie 11 aufweist.
Die anodenseitige Katalysatorschicht 20 ist auf der Seite der ersten Verstärkungsfolie 11 der verstärkten Elektrolytmembran 10c ausgebildet. Die kathodenseitige Katalysatorschicht 30 ist auf der Seite der zweiten Verstärkungsfolie 12 der verstärkten Elektrolytmembran 10c ausgebildet. Die anodenseitige Katalysatorschicht 20 und die kathodenseitige Katalysatorschicht 30 enthalten jeweils einen Katalysator, der die chemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff beschleunigt, Kohlenstoffpartikel, auf denen der Katalysator aufliegt, und ein Ionomer identisch oder analog zum Grundmaterial der Elektrolytmembran 10. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die kathodenseitige Katalysatorschicht 30 zur Verhinderung von Überflutungseffekten als eine Katalysatorschicht ausgebildet, die einen niedrigeren Ionomergehalt als die anodenseitige Katalysatorschicht 20 aufweist. Der geringere Gehalt an Ionomer führt in der Regel zum höheren Elastizitätsmodul der resultierenden Katalysatorschicht. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die kathodenseitige Katalysatorschicht 30 demnach so ausgestaltet, dass sie einen höheren Elastizitätsmodul als die anodenseitige Katalysatorschicht 20 aufweist.
A2. Verfahren zur Herstellung einer verstärkten Elektrolytmembran
2 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung der verstärkten Elektrolytmembran 10c. 3 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Prozesse der Schritte S100 bis S104. 4 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Prozesse der Schritte S106 bis S108. 5 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Prozesse der Schritte S110 bis S112. 6 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Prozesse der Schritte S114 bis S 116. Es folgt eine Beschreibung des Verfahrens zur Herstellung der verstärkten Elektrolytmembran 10c unter Bezugnahme auf die 2 bis 6.
Im Verfahren zur Herstellung der verstärkten Elektrolytmembran 10c wird zuerst die Elektrolytmembran 10 mit einer ersten Auflagefolie 1b verklebt (Schritt S100 in 2 und 3). Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die erste Auflagefolie 1 b eine Polytetrafluorethylen(PTFE)-Folie mit einer Dicke von ca. 50 µm. Die Elektrolytmembran 10 ist ein synthetisches Harz mit -SO₂F-Endgruppe in der Seitenkette. Die Elektrolytmembran 10 ist ca. 10 µm dick. In Schritt S100 wird das synthetische Harz mit -SO₂F-Endgruppe in der Seitenkette durch eine Formmaschine auf die erste Auflagefolie 1b aufextrudiert, so dass die Elektrolytmembran 10 und die erste Auflagefolie 1b miteinander verbunden sind.
Im Verfahren wird die erste Verstärkungsfolie 11 auf die mit der ersten Auflagefolie 1b verklebte Elektrolytmembran 10 aufgeklebt (Schritt S102 in 2 und 3). Die erste Verstärkungsfolie 11 ist eine fluorhaltige Kunstharzfolie, die durch Streckung von Polytetrafluorethylen (PTFE) porös gemacht wurde.
Nach dem Verkleben der ersten Verstärkungsfolie 11 mit der Elektrolytmembran 10 wird im Verfahren eine zweite Auflagefolie 2b auf die erste Verstärkungsfolie 11 aufgeklebt (Schritt S104 in 2 und 3). Die zweite Auflagefolie 2b ist eine Perfluoralkoxy(PFA)-Fluorharzfolie mit einer Dicke von ca. 50 µm.
Im Verfahren wird anschließend von den Oberflächen der ersten Auflagefolie 1b und zweiten Auflagefolie 2b her Wärme und Druck angelegt, um die Elektrolytmembran 10 mit dem ersten Verstärkungsfilm 11 auf dem Wege der Thermokompression zu verpressen (Schritt S106 in 2 und 4). Der Prozess der Thermokompression nutzt eine Walze, die auf eine Temperatur von 260°C erhitzt wird, und legt ausgehend von den jeweiligen Oberflächen der ersten Auflagefolie 1b und der zweiten Auflagefolie 2b einen Druck von 1,2 t an einen Stapelkörper 40 an, in dem die erste Auflagefolie 1b, die Elektrolytmembran 10, die erste Verstärkungsfolie 11 und die zweite Auflagefolie 2b übereinander gestapelt sind. Die Durchlaufgeschwindigkeit des Stapelkörpers 40 beträgt 0,5 m/min. Die Kontaktzeit der Walze mit dem Stapelkörper 40 liegt bei ca. 3 Minuten. Der Prozess der Thermokompression bildet eine geschmolzene imprägnierte Membran 10r aus, in der die erste Verstärkungsfolie 11 mit einem Teil des Elektrolyts der Elektrolytmembran 10 imprägniert ist.
Das Verfahren zieht anschließend die auf der Elektrolytmembran-Seite 10 der geschmolzenen imprägnierten Membran 10r aufgeklebte erste Auflagefolie 1b von der geschmolzenen imprägnierten Membran 10r ab (Schritt S108 in 2 und 4). Die Adhäsionskraft der ersten Auflagefolie 1b ist geringer als das Haftvermögen der zweiten Auflagefolie 2b, so dass sich die erste Auflagefolie 1b leicht von der geschmolzenen imprägnierten Membran 10r abziehen lässt.
Im Verfahren wird anschließend die zweite Verstärkungsfolie 12 auf die Seite der geschmolzenen imprägnierten Membran 10r, von der die erste Auflagefolie 1b abgezogen wird, d. h. auf die Elektrolytmembran 10 aufgeklebt (Schritt S110 in 2 und 5). Die zweite Verstärkungsfolie 12 ist eine durch Streckung von PTFE porös gemachte Folie. Im Verfahren wird daraufhin eine dritte Auflagefolie 3b auf die zweite Verstärkungsfolie 12 aufgeklebt (Schritt S112 in 2 und 5). Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die dritte Auflagefolie 3b eine PFA-Folie mit einer Dicke von ca. 50 µm, wie die zweite Auflagefolie 2b.
Nach dem Verkleben der dritten Auflagefolie 3b erfolgt im Verfahren die Thermokompressionsverpressung der Elektrolytmembran 10 mit der ersten Verstärkungsfolie 11 und der Elektrolytmembran 10 mit der zweiten Verstärkungsfolie 12 ausgehend von den jeweiligen Oberflächen der zweiten Auflagefolie 2b und dritten Auflagefolie 3b (Schritt S114 in 2 und 6). Der Prozess der Thermokompression verwendet eine Walze, die auf eine Temperatur von 260°C erhitzt wird, und legt ausgehend von den jeweiligen Oberflächen der zweiten Auflagefolie 2b und der dritten Auflagefolie 3b einen Druck von 1,2 t an einen Stapelkörper 41 an, in dem die zweite Auflagefolie 2b, die geschmolzene imprägnierte Membran 10r, die zweite Verstärkungsfolie 12 und die dritte Auflagefolie 3b übereinander gestapelt sind. Die Durchlaufgeschwindigkeit des Stapelkörpers 41 beträgt 0,5 m/min. Die Kontaktzeit der Walze mit dem Stapelkörper 41 liegt bei ca. 3 Minuten. Der Prozess der Thermokompression bewirkt eine Imprägnierung der zweiten Verstärkungsfolie 12 mit einem Teil des Elektrolyts der Elektrolytmembran 10. Dieser Prozess bewirkt auch eine Imprägnierung der ersten Verstärkungsfolie 11 mit einem Teil des Elektrolyts der Elektrolytmembran 10. Dadurch wird eine verstärkte Elektrolytmembran 10rr ausgebildet.
Im Verfahren wird anschließend die dritte Auflagefolie 3b, die auf der mit der zweiten Verstärkungsfolie 12 versehenen Seite der verstärkten Elektrolytmembran 10rr aufgeklebt ist, von der verstärkten Elektrolytmembran 10rr abgezogen (Schritt S116 in 2 und 6). Die dritte Auflagefolie 3b ist mit der zweiten Verstärkungsfolie 12 in nur einmaliger Thermokompression verpresst (Schritt S 108). Die zweite Auflagefolie 2b hingegen ist mit der ersten Verstärkungsfolie 11 in zweimaliger Thermokompression verpresst (Schritte S106 und S 108). Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden die dritte Auflagefolie 3b und die zweite Auflagefolie 2b aus gleichen PFA-Folien ausgebildet. Die geringere Anzahl von Thermokompressionen bewirkt jedoch, dass die dritte Auflagefolie 3b im Vergleich zur zweiten Auflagefolie 2b mit dem Stapelkörper 41 schwächer verbunden ist. Die dritte Auflagefolie 3b wird somit leicht von der verstärkten Elektrolytmembran 10rr abgezogen.
Im Verfahren wird nach dem Abziehen der dritten Auflagefolie 3b die verstärkte Elektrolytmembran 10rr einer Hydrolyse unterzogen (Schritt S118 in 2 und 7). Der Prozess der Hydrolyse versieht die verstärkte Elektrolytmembran 10rr mit Protonenleitfähigkeit, um die verstärkte Elektrolytmembran 10c mit -SO₃H als Endgruppe in der Seitenkette herzustellen. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Dicke der fertigen verstärkten Elektrolytmembran 10c ca. 8 µm. Das oben beschriebene Herstellungsverfahren sorgt effektiv dafür, dass die Anzahl von Thermokompressionen der zweiten Verstärkungsfolie 12 kleiner ist als die Anzahl von Thermokompressionen der ersten Verstärkungsfolie 11.
A3. Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung
8 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung der MEA 50. 9 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Herstellung der MEA 50. Am Beginn des Verfahrens zur Herstellung der MEA 50 steht die Bereitstellung der verstärkten Elektrolytmembran 10c, die durch das oben beschriebene Verfahren der Herstellung der verstärkten Elektrolytmembran (2) hergestellt wurde (Schritt S200 in 8 und 9).
Das Verfahren bildet anschließend die anodenseitige Katalysatorschicht 20 auf der Seite der verstärkten Elektrolytmembran 10c aus, mit welcher die erste Verstärkungsfolie 11 in Thermokompression verpresst ist, und bildet die kathodenseitige Katalysatorschicht 30 auf der Seite der verstärkten Elektrolytmembran 10c, mit der die zweite Verstärkungsfolie 12 in Thermokompression verpresst ist (Schritt S202 in 8 und 9). In anderen Worten: der Prozess von Schritt S202 bildet die anodenseitige Katalysatorschicht 20 auf derjenigen Oberfläche der verstärkten Elektrolytmembran 10c aus, die öfter einer Thermokompression unterzogen wird, während die kathodenseitige Katalysatorschicht 30 auf derjenigen Oberfläche der verstärkten Elektrolytmembran 10c ausgebildet wird, die weniger oft einer Thermokompression ausgesetzt wird. Die anodenseitige Katalysatorschicht 20 und die kathodenseitige Katalysatorschicht 30 werden durch Heißverpressung ausgebildet. Die Temperatur der Heißverpressung beträgt 160°C. Dadurch wird die MEA 50 hergestellt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform bewirkt die Heißverpressung bei der Temperatur von 160°C keine Reduzierung der Membrandicke der verstärkten Elektrolytmembran 10c und keine Deformierung der Oberfläche der verstärkten Elektrolytmembran 10c.
Im Verfahren zur Herstellung der verstärkten Elektrolytmembran 10c und im Verfahren zur Herstellung der MEA 50 gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Anzahl von Thermokompressionen der zweiten Verstärkungsfolie 12 mit der Elektrolytmembran 10 kleiner als die Anzahl von Thermokompressionen der ersten Verstärkungsfolie 11 mit der Elektrolytmembran 10. Der Oberflächenelastizitätsmodul auf der Seite mit der zweiten Verstärkungsfolie 12 ist dadurch kleiner als der Oberflächenelastizitätsmodul auf der Seite der ersten Verstärkungsfolie 11. Dies ermöglicht eine bessere Verklebung einer Katalysatorschicht auf der Seite mit der zweiten Verstärkungsfolie 12, die im Vergleich zur Seite mit der ersten Verstärkungsfolie 11 den niedrigeren Oberflächenelastizitätsmodul aufweist. Insbesondere nutzt diese Ausführungsform für die kathodenseitige Katalysatorschicht 30 eine Katalysatorschicht, deren Ionomergehalt geringer als bei der anodenseitigen Katalysatorschicht ist, um eine Überflutung zu verhindern und die Stromerzeugungsleistung zu verbessern. Der geringere Ionomergehalt führt zu einem höheren Elastizitätsmodul der Katalysatorschicht, so dass die Verklebbarkeit mit der Elektrolytmembran 10 bei der kathodenseitigen Katalysatorschicht 30 geringer ist als bei der anodenseitigen Katalysatorschicht 20. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die kathodenseitige Katalysatorschicht 30 auf der Seite mit der zweiten Verstärkungsfolie 12 angeordnet, die den geringeren Oberflächenelastizitätsmodul aufweist. Diese Ausgestaltung macht es möglich, die kathodenseidige Katalysatorschicht 30 mit der Elektrolytmembran 10 besser zu verbinden als bei einer Ausgestaltung, bei welcher die kathodenseitige Katalysatorschicht 30 auf die Seite mit der ersten Verstärkungsfolie 11 aufgebracht wird. In anderen Worten: das Verfahren dieser Ausführungsform stellt die verstärkte Elektrolytmembran 10c her, mit der die kathodenseitige Katalysatorschicht 30, die erheblich zur Stromerzeugungsleistung beiträgt, gut verklebbar ist, und verbessert so die Stromerzeugungsleistung der MEA 50. Der Oberflächenelastizitätsmodul der anodenseitigen Verstärkungsfolie (erste Verstärkungsfolie 11) ist größer als der Oberflächenelastizitätsmodul der kathodenseitigen Verstärkungsfolie (zweite Verstärkungsfolie 12). Diese Ausgestaltung sichert die ausreichende Festigkeit der MEA 50 als Ganzes und verbessert gleichzeitig die Stromerzeugungsleistung der MEA 50.
Darüber hinaus wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform die erste Verstärkungsfolie 11 der verstärkten Elektrolytmembran 10c durch zweifache thermische Kompression mit der Elektrolytmembran 10 verpresst. Dies erhöht die Festigkeit der verstärkten Elektrolytmembran 10c im Vergleich zu einem Verfahren zur Herstellung einer verstärkten Elektrolytmembran durch einmalige Thermokompression. Der Prozess der Thermokompression setzt eine relativ hohe Temperatur von 260°C ein. Dadurch werden die erste Verstärkungsfolie 11 und die zweite Verstärkungsfolie 12 innerhalb einer kürzeren Zeitdauer homogener mit dem Elektrolyt imprägniert als bei einem Prozess der Thermokompression der eine niedrigere Temperatur nutzt. Das Verfahren zur Herstellung der verstärkten Elektrolytmembran 10c gemäß der vorliegenden Ausführungsform verkürzt also den für die Herstellung der verstärkten Elektrolytmembran 10c erforderlichen Zeitraum.
A4. Versuchsergebnisse
Im Folgenden werden die Gründe für eine Herstellung der verstärkten Elektrolytmembran 10c und der MEA 50 durch die oben beschriebenen Herstellungsverfahren unter Verweis auf Versuchsbeispiele dargelegt.
A4-1. Messung des Oberflächenelastizitätsmoduls
10 ist eine Tabelle mit den Messergebnissen für den Oberflächenelastizitätsmodul der verstärkten Elektrolytmembran 10c. 10 zeigt die Messergebnisse des Elastizitätsmoduls für die Oberfläche der Seite mit der ersten Verstärkungsfolie 11 und für die Oberfläche der Seite mit der zweiten Verstärkungsfläche 12 in Bezug auf die verstärkte Elektrolytmembran 10c, die durch das oben beschriebene Herstellungsverfahren hergestellt wurde (nachfolgend bezeichnet als Probe 1), und in Bezug auf eine verstärkte Elektrolytmembran, zu deren Herstellung im oben genannten Herstellungsverfahren die Temperatur der Walze im Prozess der Thermokompression (Schritte S106 und S114) auf 230°C geändert wurde (nachfolgend bezeichnet als Probe 2). Die Messung des Oberflächenelastizitätsmoduls erfolgte mit dem Nano Identer G200 (Hersteller: Agilent Technologies Inc.), um bei Probe 1 und 2 den Elastizitätsmodul in einer Tiefe von ca. 800 nm von der Oberfläche zu messen. Die Messtemperatur betrug 120°C.
Wie dies in 10 in Bezug auf Probe 1 zu sehen ist, betrug der Oberflächenelastizitätsmodul für die Seite mit der zweiten Verstärkungsfolie 12 24 MPa und der Oberflächenelastizitätsmodul für die Seite mit der ersten Verstärkungsfolie 11 betrug 39 MPa. Bei Probe 1 wies die Oberfläche der Seite mit der ersten Verstärkungsfolie 11 einen höheren Elastizitätsmodul auf als die Oberfläche der Seite mit der zweiten Verstärkungsfolie 12. Die Differenz zwischen dem Oberflächenelastizitätsmodul der Seite mit der ersten Verstärkungsfolie 11 und dem Oberflächenelastizitätsmodul der Seite mit der zweiten Verstärkungsfolie 12 betrug 15 MPa. Auf der Seite mit der ersten Verstärkungsfolie 11 fanden zwei Thermokompressionen statt (Schritte S106 und S114 in 2), während auf der Seite mit der zweiten Verstärkungsfolie 12 nur eine einmalige Thermokompression erfolgte (Schritt S114 in 2). Die erste Verstärkungsfolie 11 wurde mit der Elektrolytmembran 10 also in häufigerer Thermokompression verpresst als die zweite Verstärkungsfolie 12. Dies bewirkt, dass die erste Verstärkungsfolie 11 mit einer größeren Menge von Elektrolyt der Elektrolytmembran 10 imprägniert wird als die zweite Verstärkungsfolie 12. Dies scheint die Ursache dafür zu sein, dass der Oberflächenelastizitätsmodul der Seite mit der ersten Verstärkungsfolie 11 höher ist als der Oberflächenelastizitätsmodul der Seite mit der zweiten Verstärkungsfolie 12.
Bei Probe 2, die im Prozess der Thermokompression mit der auf 230°C eingestellten Walzentemperatur hergestellt wurde, betrug der Oberflächenelastizitätsmodul für die Seite mit der zweiten Verstärkungsfolie 12 22 MPa, und der Oberflächenelastizitätsmodul für die Seite mit der ersten Verstärkungsfolie 11 betrug 25 MPa. Bei Probe 2 wies die Oberfläche der Seite mit der ersten Verstärkungsfolie 11 einen leicht höheren Elastizitätsmodul auf als die Oberfläche der Seite mit der zweiten Verstärkungsfolie 12. Die Differenz zwischen dem Oberflächenelastizitätsmodul der Seite mit der ersten Verstärkungsfolie 11 und dem Oberflächenelastizitätsmodul der Seite mit der zweiten Verstärkungsfolie 12 betrug 3 MPa.
Diese Ergebnisse zeigen, dass von den Verstärkungsfolien der verstärkten Elektrolytmembran 10c die erste Verstärkungsfolie 11, die einer häufigeren Thermokompression mit der Elektrolytmembran 10 ausgesetzt war, den höheren Oberflächenelastizitätsmodul aufweist. Diese Ergebnisse zeigen auch, dass die höhere Temperatur der Walze zum höheren Oberflächenelastizitätsmodul führt. Darüber hinaus zeigen diese Ergebnisse, dass die höhere Temperatur der Walze zu einer größeren Differenz zwischen dem Oberflächenelastizitätsmodul der Seite mit der ersten Verstärkungsfolie 11 und dem Oberflächenelastizitätsmodul der Seite mit der zweiten Verstärkungsfolie 12 führt.
A4-2. Auswertung der Stromerzeugungsleistung
11 ist ein Diagramm und zeigt das Verhältnis zwischen der Stromdichte und der mittleren Zellspannung. 11 zeigt die Ergebnisse der Auswertung der Stromerzeugungsleistung für eine Brennstoffzelle, welche die MEA 50 enthält, in der die anodenseitige Katalysatorschicht 20 auf der mit der ersten Verstärkungsfolie 11 versehenen Seite der durch das obige Herstellungsverfahren hergestellten verstärkten Elektrolytmembran 10c und die kathodenseitige Katalysatorschicht 30 auf der Seite mit der zweiten Verstärkungsfolie 12 ausgebildet ist (nachfolgend bezeichnet als Brennstoffzelle 1) und für eine Brennstoffzelle, die eine MEA beinhaltet, in welcher die kathodenseitige Katalysatorschicht 30 auf der mit der ersten Verstärkungsfolie 11 versehenen Seite der verstärkten Elektrolytmembran 10c und die anodenseitige Katalysatorschicht 20 auf der Seite mit der zweiten Verstärkungsfolie 12 ausgebildet ist (nachfolgend bezeichnet als Brennstoffzelle 2).
Wie dies in 11 zu sehen ist, ist die Stromdichte der Brennstoffzelle 1 bei identischer Zellspannung höher als die Stromdichte der Brennstoffzelle 2. Bei einer mittleren Zellspannung von 0,6 V betrug beispielsweise die Stromdichte der Brennstoffzelle 1 ca. 2,25 (A/cm²), während die Stromdichte der Brennstoffzelle 2 bei ca. 2,05 (A/cm²) lag. Die Ergebnisse der Auswertung zeigen, dass die Brennstoffzelle 1, die die durch das Verfahren der vorliegenden Ausführungsform hergestellte MEA 50 beinhaltet, d. h. die MEA 50, in der die kathodenseitige Katalysatorschicht 30 auf der Seite mit der zweiten Verstärkungsfolie 12, deren Oberflächenelastizitätsmodul niedriger ist, ausgebildet ist, eine bessere Stromerzeugungsleistung aufweist als die Brennstoffzelle 2, die die MEA beinhaltet, in der die anodenseitige Katalysatorschicht 20 auf der Seite mit der zweiten Verstärkungsfolie 12 ausgebildet ist.
A4-3. Messung des Oberflächenelastizitätsmoduls nach Auswertung der Stromerzeugungsleistung
12 ist eine Tabelle mit den Messergebnissen für den Oberflächenelastizitätsmodul nach Auswertung der Stromerzeugungsleistung. Für dieses Messexperiment wurden MEAs unter Verwendung der verstärkten Elektrolytmembran von Probe 1 bzw. der verstärkten Elektrolytmembran von Probe 2 hergestellt und Brennstoffzellen bereitgestellt, die solche MEAs enthalten. Diese Brennstoffzellen wurden durch die obige Auswertung der Stromerzeugungsleistung bewertet. Die MEAs wurden aus den jeweiligen Brennstoffzellen herausgenommen, und nach dem Abziehen der kathodenseitigen Katalysatorschicht und der anodenseitigen Katalysatorschicht von jeder MEA blieb jeweils nur die verstärkte Elektrolytmembran übrig. Der Oberflächenelastizitätsmodul wurde daraufhin auf der Seite mit der ersten Verstärkungsfolie 11 und auf der Seite mit der zweiten Verstärkungsfolie 12 gemessen. 12 zeigt die entsprechenden Messergebnisse. Die Messung des Oberflächenelastizitätsmoduls erfolgte mit dem gleichen Messverfahren, das weiter oben beschrieben ist.
Wie dies in 12 zu sehen ist, erhöhen sich nach der Auswertung der Stromerzeugungsleistung sowohl bei Probe 1 als auch bei Probe 2 die Werte des Oberflächenelastizitätsmoduls für die Seite mit der ersten Verstärkungsfolie 11 und die Seite mit der zweiten Verstärkungsfolie 12 der verstärkten Elektrolytmembran 10c gegenüber den Werten aus 10. Diese Ergebnisse lassen sich darauf zurückführen, dass der Oberflächenelastizitätsmodul durch den Wärmeverlauf zum Zeitpunkt der Herstellung der MEA und zum Zeitpunkt der Auswertung der Stromerzeugungsleistung erhöht wird. Gemäß diesen Messergebnissen ist bei der verstärkten Elektrolytmembran 10c der Probe 1 der Oberflächenelastizitätsmodul auf der Seite mit der ersten Verstärkungsfolie 11 selbst nach Auswertung der Stromerzeugung um mindestens 15 MPa höher als der Oberflächenelastizitätsmodul auf der Seite mit der zweiten Verstärkungsfolie 12. Wie die Messergebnisse ferner nachweisen, ist die Ausgestaltung, bei der die zur Stromerzeugung erheblich beitragende kathodenseitige Katalysatorschicht 30 auf der Seite mit der zweiten Verstärkungsfolie 12 angeordnet wird, wo der Oberflächenelastizitätsmodul niedriger ist, und die anodenseitige Katalysatorschicht 20 auf der Seite mit der ersten Verstärkungsfolie 11 angeordnet wird, wo der Oberflächenelastizitätsmodul höher ist, vorteilhaft für die Festigkeit der MEA 50.
B. Abwandlungen
B1. Erste Abwandlung
Das Verfahren der obigen Ausführungsform verpresst die erste Verstärkungsfolie 11 mit der Elektrolytmembran 10 in zweimaliger Thermokompression, während die zweite Verstärkungsfolie 12 mit der Elektrolytmembran 10 in nur einmaliger Thermokompression verpresst wird. Die Anzahl von Thermokompressionen zum Verpressen der ersten Verstärkungsfolie 11 mit der Elektrolytmembran 10 kann drei oder mehr betragen. Die Anzahl von Thermokompressionen zum Verpressen der zweiten Verstärkungsfolie 12 kann zwei oder mehr betragen, solange die Anzahl von Thermokompressionen der zweiten Verstärkungsfolie 12 kleiner ist als die Anzahl von Thermokompressionen der ersten Verstärkungsfolie 11.
B2. Zweite Abwandlung
Das Verfahren der obigen Ausführungsform klebt die Verstärkungsfolien 11 und 12 auf die Elektrolytmembran 10 auf (Schritte S102 und S110 in 10) und klebt darüber hinaus die Auflagefolien 2b und 3b auf die Verstärkungsfolien 11 und 12 auf (Schritte S104 und S112 in 2). Ein abgewandeltes Verfahren kann die mit den Auflagefolien 2b und 3b vorab verklebten Verstärkungsfolien 11 und 12 auf die Elektrolytmembran 10 aufkleben.
B3. Dritte Abwandlung
In der oben beschriebenen Ausführungsform sind die erste Verstärkungsfolie 11 und die zweite Verstärkungsfolie 12 aus PTFE hergestellt. Die erste Verstärkungsfolie 11 und die zweite Verstärkungsfolie 12 können aus einem anderen porösen Polymerharz wie PE (Polyethylen), PP (Polypropylen) oder Polyimid hergestellt sein.
Bezugszeichenliste

1b: erste Auflagefolie
2b: zweite Auflagefolie
3b: dritte Auflagefolie
10: Elektrolytmembran
10c, 10rr: verstärkte Elektrolytmembran
10r: geschmolzene imprägnierte Membran
11: erste Verstärkungsfolie
12: zweite Verstärkungsfolie
20: anodenseitige Katalysatorschicht
30: kathodenseitige Katalysatorschicht
40, 41: Stapelkörper
50: MEA

Claims

Membran-Elektroden-Anordnung (50) umfassend: eine verstärkte Elektrolytmembran (1 0c), die eine Elektrolytmembran (10), eine auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran (10) angeordnete erste Verstärkungsfolie (11) und eine auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran (10) angeordnete zweite Verstärkungsfolie (12) umfasst; eine anodenseitige Katalysatorschicht (20), die auf einer Oberfläche einer Seite der verstärkten Elektrolytmembran (10c) angeordnet ist, auf der die erste Verstärkungsfolie (11) angeordnet ist; und eine kathodenseitige Katalysatorschicht (30), die auf einer Oberfläche einer Seite der verstärkten Elektrolytmembran (10c) angeordnet ist, auf der die zweite Verstärkungsfolie (12) angeordnet ist, wobei die zweite Verstärkungsfolie (12) einen Oberflächenelastizitätsmodul kleiner als der Oberflächenelastizitätsmodul der ersten Verstärkungsfolie (11) aufweist.