DE60036610T2 - Verbesserter membranelektrodenaufbau für brennstoffzelle - Google Patents

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Surya Pasadena PRAKASH
George Los Angeles OLAH
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Description

  • Die vorliegende Erfindung beansprucht die Priorität der am 22. Januar 1999 eingereichten provisorischen Anmeldung mit der US-Seriennummer 60/116,747.
  • BEREICH DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Membranelektrodenbaugruppen zum direkten Speisen von Methanolbrennstoffzellen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung katalytische Farbformulierungen für Membranelektrodenbaugruppen.
  • HINTERGRUND
  • Viele fortschrittliche Direkt-Methanolbrennstoffzellensysteme benutzen als Elektrolyt eine Protonenaustauschmembran aus einem Perfluorkohlenstoffmaterial, das von E. I. duPont aus Wilmington, DE, USA unter der Handelsbezeichnung NAFION 117 erhältlich ist. Wenn jedoch Membranen auf NAFION-Basis in Direkt-Methanolbrennstoffzellenanwendungen eingesetzt werden, dann ist die Methanoldiffusion durch die Membranen zu hoch, so dass Brennstoff hinüber auf die Kathodenseite der Zelle gelangen kann. Ein Methanol-Crossover zur Kathode hat Brennstoffverluste, einen geringeren Gesamtwirkungsgrad und eine niedrigere Zellenleistung zur Folge. So lag der Schwerpunkt eines großen Teils der Forschungsarbeiten auf Methoden zum Verringern von Methanol-Crossover in Direkt-Methanolbrennstoffzellen.
  • Zusätzlich zu Problemen mit Methanol-Crossover stellt man eine große Wasserpermeabilität bei Systemen auf NAFION-Basis fest, so dass es in Brennstoffzellenstapeln zu Wassermanagementproblemen kommt. Um diese Probleme anzugehen, wurde eine alternative Polymerelektrolytmembran vorgeschlagen, die aus einem Verbundstoff aus Polystyrolsulfonsäure und Poly(vinylidendifluorid) besteht. Erste Studien an PSSA-PVDF-Membranen zeigten eine geringere Methanolpermeabilität als bei Membranen auf der Basis von NAFION 117 und eine vergleichbare Protonenleitfähigkeit.
  • Herkömmliche PSSA-PVDF-Membran-MEAs wurden mit denselben Verfahren wie die zum Erzeugen von NAFION-Membran-MEAs hergestellt. Zum Fertigen von Katalysatorelektroden werden eine Katalysatorfarbe aus einem Katalysatormaterial, gewöhnlich Pt oder Pt/Ru, und eine Alkohollösung aus einem Perfluorsulfonsäureionomer hergestellt, das von E. I. duPont de Nemours, Wilmington, DE, USA unter der Handelsbezeichnung Naflon-H erhältlich ist. Die Katalysatorfarbe wurde entweder auf ein Substrat wie poröses Kohlepapier oder alternativ direkt auf die Membranoberfläche aufgebracht. Diese Sandwich-Struktur wurde dann in einer Heißpresse zum Bonden mit katalysierten, mit TEFLON imprägnierten porösen Kohlenstoffelektroden zur Bildung einer einzelnen MEA-Komponente gelegt. Dieses Verfahren funktionierte zwar gut bei MEAs mit NAFION-Membranen, aber MFA-Proben aus den PSSA-PVDF-Membranen, die mit diesem Verfahren hergestellt wurden, zeigten in experimentellen Kraftstoffzellen eine erheblich niedrigere elektrische Leistung und waren allgemein durch einen hohen Zellenwiderstand und geringe Katalysatorauslastungswerte gekennzeichnet.
  • Daher muss die elektrische Leistung von MEAs mit PSSA-PVDF-Membranen für eine Implementation in Leistungsquellen weiter verbessert werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • In einem Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Membran für eine Brennstoffzelle bereit, das die folgenden Schritte beinhaltet: (a) Bereitstellen einer Katalysatorfarbe, die ein katalytisches Material und Poly(vinylidenfluorid) beinhaltet; und (b) Auftragen der Katalysatorfarbe auf wenigstens eine Seite einer Membran, in der Poly(vinylidenfluorid) enthalten ist.
  • Die Katalysatorfarbe kann auf eine Oberfläche eines Substrats aufgebracht werden, um eine Elektrode für eine Brennstoffzellenbaugruppe zu erzeugen. Das Substrat kann eine Membran oder eine Stützlage sein.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Brennstoffzelle bereitgestellt, die eine Membranelektrodenbaugruppe umfasst, wobei die Membranelektrodenbaugruppe mit dem folgenden Verfahren hergestellt wird: (a) Bereitstellen einer Katalysatorfarbe, die ein katalytisches Material und Poly(vinylidenfluorid) umfasst; (b) Auftragen der Katalysatorfarbe auf wenigstens eine Seite einer Membran, die mit Poly(vinyliden)fluorid behandelt ist; und (c) Bonden der Membran auf wenigstens eine Elektrode.
  • Die Elektrode mit der aufgebrachten Farbschicht kann mit einer Membran oder einer anderen Elektrode bei einer Temperatur von über etwa 180°C gebondet werden, um eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) zu bilden. Die MEA mit der aufgetragenen Farbschicht kann in einen Brennstoffzellenstapel eingebaut werden.
  • In einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Brennstoffzelle bereitgestellt, die eine Membranelektrodenbaugruppe umfasst, wobei die Membranelektrodenbaugruppe mit dem folgenden Verfahren hergestellt wird: (a) Bereitstellen einer Katalysatorfarbe, die ein katalytisches Material und Poly(vinylidenfluorid) umfasst; (b) Auftragen der Katalysatorfarbe auf wenigstens eine Seite einer Membran, die mit Poly(vinyliden)fluorid behandelt wurde; und (c) Bonden der Membran auf wenigstens eine Elektrode.
  • In einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine PSSA-PVDF-Membran bereit, die eine Katalysatorfarbe umfasst, wobei die Katalysatorfarbe ein katalytisches Material und Poly(vinylidenfluorid) beinhaltet.
  • Die erfindungsgemäße katalytische Farbe verbessert die Grenzflächenbondeigenschaften der aufgetragenen elektrokatalytischen Schichten mit den Protonenleitungsanteilen der Membranstruktur, wodurch die elektrische Leistung verbessert und die Impedanz gegenüber MEAs aus herkömmlichen Farben reduziert werden. Die erfindungsgemäße katalytische Farbe reduziert bei Einsatz in einem Brennstoffzellenstapel auch Methanol-Crossover. MEAs aus den erfindungsgemäßen katalytischen Farben zeigen eine gute elektrische Leistung, ausgezeichnete Crossover-Eigenschaften und einzigartige Wassermanagementeigenschaften bei Beurteilung auf Zellenebene.
  • Die Details einer oder mehrerer Ausgestaltungen der Erfindung werden in den beiliegenden Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. Weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen hervor.
  • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Direktspeisungsbrennstoffzelle
  • 2 ist eine Kurve von Zellenspannung gegenüber Stromdichte, die die Leistung einer herkömmlichen Membranelektrodenbaugruppe mit der einer erfindungsgemäßen Membranelektrodenbaugruppe vergleicht.
  • In den verschiedenen Elementen wurden gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • 1 zeigt eine organische Brennstoffzelle mit Flüssigkeitszufuhr mit einer Anode 110, einer Kathode 120 und einer ein festes Polymerproton leitenden Kationenaustausch-Elektrolytmembran 130, vorzugsweise aus einem perfluorierten Protonenaustauschmembranmaterial, das unter der Handelsbezeichnung NAFION von E. I. duPONT de Nemours, Wilmington, DE, USA erhältlich ist. NAFION ist ein Copolymer aus Tetrafluorethylen und Perfluorvinylethersulfonsäure. Es können auch andere Membranmaterialien zum Einsatz kommen.
  • Die Anode 110, die Kathode 120 und die Feststoffpolymer-Elektrolytmembran 130 werden zu einer einzelnen mehrlagigen Verbundstruktur gebondet, die nachfolgend als Membranelektrodenbaugruppe „MEA" 140 bezeichnet wird.
  • Es ist eine Brennstoffpumpe 150 zum Pumpen von organischem Brennstoff und Wasserlösung in eine Anodenkammer 160 vorgesehen. Das Gemisch aus organischem Brennstoff und Wasser wird durch die Auslassöffnung 170 in einen Methanoltank 190 gesaugt und umgewälzt. In der Anodenkammer 160 gebildetes Kohlendioxid wird durch die Öffnung 180 im Tank 190 abgelassen. Ein Luftkompressor 1100 dient zum Zuführen von Sauerstoff oder Luft in eine Kathodenkammer 1120. Kohlendioxid und Wasser werden durch die Öffnung 1140 in der Kathodenkammer 1120 entfernt.
  • Vor der Verwendung wird die Anodenkammer 160 mit dem Gemisch aus organischem Brennstoff und Wasser gefüllt. Die Kathodenkammer 1120 wird mit Luft oder Sauerstoff entweder mit Umgebungsdruck oder unter Überdruck gefüllt. Während des Betriebs wird der organische Brennstoff in der Anodenkammer 160 an der Anode 110 vorbei geführt. Sauerstoff oder Luft wird in die Kathodenkammer 1120 gepumpt und an der Kathode 120 vorbei geführt. Wenn eine elektrische Last 1130 zwischen der Anode 110 und der Kathode 120 geschaltet ist, dann erfolgen eine Elektrooxidation des organischen Brennstoffs an der Anode 110 und eine Elektroreduktion von Sauerstoff an der Kathode 120. Das Auftreten unterschiedlicher Reaktionen an der Anode 110 und der Kathode 120 führt zu einer Spannungsdifferenz zwischen diesen beiden Elektroden.
  • Durch Elektrooxidation an der Anode 110 erzeugte Elektronen werden durch die externe Last 1130 geführt und an der Kathode 120 eingefangen. An der Anode 110 erzeugte Wasserstoffionen oder -protonen werden direkt über den Membranelektrolyt 130 zur Kathode 120 transportiert. Ein Stromfluss wird durch einen Fluss von Ionen durch die Zelle und Elektronen durch die externe Last 1130 erhalten.
  • Die Kathode 120 ist eine Gasdiffusionselektrode, in der ungestützte oder gestützte Platinpartikel auf eine Seite der Membran 130 gebondet werden. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine katalytische Zusammensetzung, hier katalytische Farbe genannt, auf wenigstens eine Oberfläche der Membran 130 oder auf wenigstens eine Oberfläche eines Elektrodenstützmaterials aufgetragen.
  • Die Kathode 120 und die Anode 110 sind Gasdiffusionselektroden, in denen Elektrokatalysepartikel auf wenigstens eine Seite der Membran 130 gebondet werden. Zum Herstellen der Kathode 120 und der Anode 110 wird eine elektrokatalytische Zusammensetzung, hierin als Katalysefarbe bezeichnet, auf wenigstens eine Oberfläche der Membran 130 oder auf wenigstens eine Oberfläche eines Elektrodenstützmaterials aufgetragen.
  • Für die Kathode 120 kann das katalytische Material in Form von feinen Metallpulvern (ungestützt) vorliegen oder auf Kohlenstoff mit großem Oberflächeninhalt (gestützt) dispergiert sein und ist vorzugsweise ungestützter Platinruß von Brennstoffzellenqualität, erhältlich von Johnson Matthey Inc., USA, oder ein gestütztes Platinmaterial, das von E-Tek Inc. in den USA erhältlich ist. Die Konzentration der Legierungspartikel in der Elektrokatalyseschicht liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 0,5 mg/cm2 bis etwa 4,0 mg/cm2. Eine effizientere Elektrooxidation wird bei höheren Konzentrationen erzielt.
  • Der Elektrokatalysator in der Anode 110 wird von gestützten oder ungestützten Platin-Rutheniumpartikeln gebildet. Ein bimetallisches Pulver mit separaten Platinpartikeln und separaten Rutheniumpartikeln ergibt bessere Ergebnisse als eine Platin-Ruthenium-Legierung. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Platin- und Rutheniumverbindungen gleichförmig vermischt und zufallsmäßig über das Material verteilt, d. h. das Material ist homogen. Dieses homogene bimetallische Pulver wird als Anodenkatalysatormaterial verwendet. Das bevorzugte Verhältnis zwischen Platin und Ruthenium kann zwischen 60/40 und 40/60 liegen. Man glaubt, dass das gewünschte Leistungsniveau bei 60% Platin und 40% Ruthenium erzielt wird. Die Leistung wird bei einem Platingehalt von 100% im Katalysator geringfügig herabgesetzt. Die Leistung sinkt drastisch, wenn der Katalysator 100% Ruthenium enthält. Für Platin-Ruthenium liegt die Legierungspartikelkonzentration in der Elektrokatalyseschicht vorzugsweise im Bereich von etwa 0,5 mg/cm2 bis etwa 4,0 mg/cm2. Eine effizientere Elektrooxidation wird bei höheren Konzentrationen erzielt.
  • Die Katalysatorfarbe kann auch ein Ionomer enthalten, um Ionenleitung zu verbessern und eine verbesserte Brennstoffzellenleistung zu erzielen. Ionomermaterialien wie Perfluorsulfonsäure, z. B. NAFION, alleine oder in Kombination mit TEFLON. Eine bevorzugte Form für das Ionomer ist ein flüssiges Copolymer aus Polyfluorvinylethersulfonsäure und Tetrafluorethylen. Um die Leistung von PSSA-PVDF-Membranen zu verbessern, wird der Katalysatorfarbe PVDF zugegeben, vorzugsweise in Pulverform.
  • Ohne sich an eine Theorie binden zu wollen, ist man doch der Ansicht, dass die Protonenleitungskanäle an der Grenzfläche zwischen der PSSA-PVDF-Membran und der aufgetragenen Katalysatorschicht durch die Vermischbarkeit der verschiedenen Polymere diktiert wird. Herkömmliche Katalysatorfarben beinhalteten nur NAFION-Ionomer.
  • NAFION und PVDF-PSSA haben jedoch keine ähnlichen Eigenschaften und die Entropie ihres Vermischens zu Polymeren ist nicht günstig. Daher ist es zum Verbessern der Vermischbarkeit zwischen den Polymeren in der Katalysatorfarbe und der Membran wichtig, der Katalysatorfarbe ein kompatibles ionomeres Material zuzugeben, damit die aufgetragene Katalysatorschicht der Membran ähnliche Eigenschaften erwirbt. PVDF mit einer niedrigen Eigenpermeabilität zu Methanol ergibt ein geringes Crossover durch die Anodenstruktur in die Membran.
  • Ferner haben PSSA-PVDF-Membranen, da sie in Wasser nicht stark aufquellen, nicht die gewünschte Weichheit, wenn die Membran unter Heißpressbedingungen auf die Elektroden gebondet wird. Die Verwendung eines hochsiedenden Lösungsmittels in der Katalysatorfarbe, wie z. B. N,N-Dimethylacetamid (DMA), ergibt einen Weichmachereffekt. Der Einsatz von N,N-Dimethylacetamid (DMA) und anderen Lösungsmitteln verhindert auch ein Austrocknen der Membran im MEA-Herstellungsprozess und führt somit zu einer MEA, die eine geringere Ablösungstendenz hat.
  • Die Katalysatorfarbe wird vorzugsweise direkt auf wenigstens eine Seite eines Substrats wie die Membran 130 oder auf ein Elektrodenstützmaterial aufgetragen, um eine mit Katalysator beschichtete Elektrode zu bilden. Geeignete Stützmaterialen sind z. B. Kohlefaserpapiere, hergestellt von Toray Industries aus Tokyo in Japan. Diese Kohlepapiere sind vorzugsweise auf etwa 5 Gew.-% TEFLON „TEFLONisiert".
  • Der Auftragsprozess beinhaltet das Aufsprühen oder anderweitige Aufstreichen der Katalysatorfarbe auf das Substrat, wobei sowohl die Farbe als auch das Substrat im Wesentlichen auf nahe Raumtemperatur sind. Es ist kein Hochtemperaturbehandlungsschritt erforderlich, um die hydrophoben Partikel in der Katalysatorfarblösung zu aktivieren. Nach dem Trocknen auf dem Substrat liegt die Konzentration der Katalysatorpartikel auf dem Substrat vorzugsweise im Bereich von etwa 0,5 mg/cm2 bis etwa 4,0 mg/cm2.
  • Das Auftragen der Katalysatorfarbe auf die Membran wird erheblich verbessert, wenn die Membranoberfläche vor dem Auftragen der Katalysatorfarbe angeraut wird. Ein Aufrauen der Oberflächen erzeugt zusätzliche Verankerungsstellen für den Katalysator und das Polymer.
  • Die Membran kann durch Kontaktieren der Membranoberfläche mit einem herkömmlichen, mit feinem Schleifmaterial beschichteten Papier erzielt werden. Das Schleifmaterial hat vorzugsweise eine Korngröße im Bereich von etwa 200 bis etwa 400.
  • Das Schleifmaterial sollte so gewählt werden, dass in der Membran imprägnierte Partikel des Schleifmaterials von der Brennstoffzelle toleriert werden. Bevorzugte Schleifmaterialien sind Siliciumnitrid, Bornitrid, Siliciumcarbid, Siliciumdioxid und Borcarbid. Schleifmaterialien unter Verwendung von Eisenoxid oder Aluminiumoxid sollten vermieden werden, da diese dazu führen, dass die Membran mit Metallionen kontaminiert wird, was unerwünschterweise zu einem erhöhten Widerstand führt.
  • Beide Seiten der Membran werden aufgeraut. Die Membran wird dann in einer Befestigungsvorrichtung gehalten und vorzugsweise trocknen gelassen, bevor die Katalysatorfarbe aufgestrichen wird.
  • Die Anode 110, die Membran 130 und die Kathode 120 können zu der Membranelektrodenbaugruppe 140 zusammengefügt werden. Nach dem Bonden miteinander bilden die Anode 110, die Kathode 120 und die Membran 130 eine einzelne geschichtete Verbundstruktur. Die Elektrode und die Membranen werden vorzugsweise zuerst auf eine Titanfolie gelegt oder gestapelt, Güte CP, 5 Mil (0,013 cm), 12 Zoll (30,5 cm) × 12 Zoll (30,5 cm), um zu verhindern, dass Säure aus der Membran in die Elektrode auslaugt.
  • Eine Verbesserung der Schmelzflusscharakteristiken der Polymermembran während des Heißpressvorgangs verbessert das Grenzflächenbonden. Eine TGA-Analyse zeigt, dass PSSA-PVDF-Systeme bis auf etwa 220°C relativ stabil sind. Zusätzlich legen Leitfähigkeitsmessungen von Membranproben vor und nach einer Hochtemperaturbehandlung (bis auf etwa 200°C) den Schluss nahe, dass unter diesen Bedingungen kein Verlust von Sulfonsäuregruppen (leitende Anteile) auftritt. Diese beiden Aspekte legen den Schluss nahe, dass Temperaturen über etwa 180°C zum Verbessern der Schmelzflusscharakteristiken der Membranprobe verwendet werden sollten, wodurch die Grenzflächenbondcharakteristiken der MEA verbessert werden.
  • Die Erfindung wird nun ausführlicher mit Bezug auf das folgende, nicht begrenzende Beispiel beschrieben.
  • BEISPIEL
  • Vor dem Auftragen der Katalysatorfarbe werden PSSA-PVDF-Membranproben getrocknet und die Oberfläche mit mit einem Schleifmittel beschichteten Papier (Güte 240) zum Aufrauen der Membranoberfläche zum Erzielen verbesserter Bondcharakteristiken aufgescheuert.
  • Die Membranprobe wurde dann zwischen zwei TEFLON-(PTFE)-Blöcken sandwichartig eingeschlossen, wobei ein Fenster von 2 Zoll (5 cm) × 2 Zoll (5 cm) freigelassen wurde. Die Membranprobe wird dann mit einem Handgebläse etwa 30 Minuten lang, oder bis die Membranoberfläche straff und trocken ist, getrocknet.
  • Es wurden zwei verschiedene Typen von Katalysatorfarbgemischen hergestellt. Die Farben wurden auf die Membranoberfläche und auf die Oberfläche eines TEFLONisierten Stützpapiers aufgebracht, das von Toray Industries aus Tokyo in Japan erhältlich ist. Das Stützpapier wurde mit etwa 5 Gew.-% TEFLON imprägniert.
  • Die Katalysatorfarbgemische, inklusive PVDF, in Tabelle 1 wurden auf die endgültigen Anoden- und Kathodenseiten der Membran aufgetragen. Mittels Beschallung wurde ein ausreichendes Mischen der Komponenten gewährleistet. TABELLE 1
    ANODE KATHODE
    140 mg Pt/Ru 180 mg Pt
    400 ml H2O 400 ml H2O
    720 mg NAFION (5 Gew.-%) 720 mg NAFION (5 Gew.-%)
    400 mg DMA
  • Die Katalysatorfarbgemische, inklusive PVDF, in Tabelle 2 wurden auf die Kohlepapiere aufgebracht. Mittels Beschallung wurde ein ausreichendes Mischen der Komponenten gewährleistet. TABELLE 2
    ANODE KATHODE
    140 mg Pt/Ru 180 mg Pt
    400 ml H2O 400 ml H2O
    720 mg NAFION (5 Gew.-%) 720 mg NAFION (5 Gew.-%)
  • Die für die Membran hergestellte Katalysatorfarbe wurde mit einer Aufstreichtechnik auf die Membranoberfläche aufgetragen. Mittels einer Aufstreichtechnik wurde die Katalysatorfarbe auf das Kohlepapier aufgetragen. Für das Kohlepapier wurde ein Überzug einen Tag vor der Herstellung der MEA und ein zweiter etwa eine Stunde vor deren Herstellung aufgetragen.
  • Zum Herstellen der MEA wurde die katalytische beschichtete Membran zwischen die beiden bestrichenen Gasdiffusionselektroden auf der Oberfläche einer 8 Zoll (20 cm) × 8 Zoll (20 cm) Matrize gelegt. Nach dem Positionieren und Festspannen der Membran wurde ein feiner Überzug aus DMA/H2O-Lösung auf die Membranränder aufgestrichen. Eine Titanplatte wurde auf die Membran gelegt und es wurde reichlich Wasser (5–7 ml) auf die Matrix gegossen. Die obere Platte wurde dann eingeführt und die Matrix wurde in eine Heißpresse gelegt.
  • Nach dem Einführen der Matrix in die Presse wurden die Matrixplatten mit einer Kraft von 909,1–1136 kp (2000–2500 lbs) über einer Elektrode mit einer Fläche von 36 cm2 geschlossen. Die Matrix wurde für eine Periode von 15 Minuten auf eine Temperatur von 180–185°C erhitzt und dann mit einem automatisierten Kühler abkühlen gelassen. Nach dieser Prozedur wurde die Matrix geöffnet, die MEA herausgenommen und zur Beurteilung in eine Zelle eingebaut.
  • Die elektrische Leistung von Brennstoffzellen, die mit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Membranelektrodenbaugruppen arbeiten, wurde gemessen und mit MEAs verglichen, die mit herkömmlichen Verfahren hergestellt wurden. Diese Ergebnisse sind in 2 für 1,0 M MeOH und 20 psig O2 dargestellt. Kurve I zeigt die Brennstoffleistung bei einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten MEA, während Kurve II eine ansonsten identische Brennstoffzelle unter Verwendung einer mit einem herkömmlichen Verfahren hergestellten MEA zeigt.
  • Die Ergebnisse zeigen, dass das erfindungsgemäße Verfahren zu einer höheren Brennstoffleistung führt. Ein Vergleich von Kurve I und Kurve II zeigt, dass die Spannung bei 150 mA/cm2 um etwa 0,1 V gestiegen ist, und die Verbesserung bei höheren Stromdichten liegt über 0,2 V.
  • Die Testbedingungen für die in 2 gezeigten Ergebnisse waren von der Temperatur abgesehen ähnlich. Es darf nicht vergessen werden, dass zunehmend höhere Temperaturen bei Methanolbrennstoffzellen bessere Leistungen ergeben. Die Ergebnisse zeigen, dass selbst bei einer Testtemperatur von 60°C (Kurve I) die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten MEAs die Leistung bei 83°C (Kurve II) übersteigen, die mit MEAs erzielt wird, die mit dem konventionellen Verfahren hergestellt wurden. So bestätigen diese Ergebnisse den Wert des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Es wurde einige Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben. Es ist jedoch zu verstehen, dass verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend liegen auch andere Ausgestaltungen im Rahmen der nachfolgenden Ansprüche.
  • QUELLENANGABEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Die von der Anmelderin angeführten Quellen werden lediglich zur Information gegeben. Sie stellen keinen Bestandteil des europäischen Patentdokuments dar. Obschon größte Sorgfalt bei der Zusammenstellung der Quellenangaben angewendet wurde, können Fehler oder Auslassungen nicht ausgeschlossen werden. Das EPA übernimmt diesbezüglich keine Haftung.
  • In der Beschreibung werden die folgenden Patentdokumente genannt:
    • * US 11674799 P [0001]

Claims (21)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Membran für eine Brennstoffzelle, das die folgenden Schritte umfasst: (a) Bereitstellen einer Katalysatorfarbe, die ein katalytisches Material und Poly(vinylidenfluorid) beinhaltet; und (b) Auftragen der Katalysatorfarbe auf wenigstens eine Seite einer Membran, in der Poly(vinylidenfluorid) enthalten ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Membran eine PSSA-PVDF-Membran ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Farbe ferner einen Weichmacher umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Weichmacher N,N-Dimethylacetamid ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, das ferner das Aufrauen der Oberfläche der Membran vor dem Auftragen der Katalysatorfarbe umfasst.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenbaugruppe für eine Brennstoffzelle, das die folgenden Schritte umfasst: (a) Bereitstellen einer Katalysatorfarbe, die ein katalytisches Material und Poly(vinylidenfluorid) und einen Weichmacher umfasst; (b) Auftragen der Katalysatorfarbe auf wenigstens eine Seite einer Membran, in der Poly(vinyliden)fluorid enthalten ist; und (c) Bonden der Membran auf wenigstens eine Elektrode.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Membran bei einer Temperatur von mehr als etwa 180°C auf die Elektrode gebondet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Katalysatorfarbe ferner einen Weichmacher aufweist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Weichmacher N,N-Dimethylacetamid ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 6, das ferner das Zugeben eines zweiten Ionomers, das ein flüssiges Copolymer aus Tetrafluorethylen und Perfluorvinylethersulfonsäure umfasst, zu der Katalysatorfarbe umfasst.
  11. Verfahren nach Anspruch 6, das ferner das Aufrauen der Oberfläche der Membran vor dem Auftragen der Katalysatorfarbe umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Elektrode eine Katalysatorschicht umfasst, die ein katalytisches Material beinhaltet, das ausgewählt ist aus Pt und Pt/Ru und einem Ionomer.
  13. Brennstoffzelle, die eine Membranelektrodenbaugruppe umfasst, wobei die Membranelektrodenbaugruppe mit dem folgenden Verfahren hergestellt wird: (a) Bereitstellen einer Katalysatorfarbe, die ein katalytisches Material und Poly(vinylidenfluorid) umfasst; (b) Auftragen der Katalysatorfarbe auf wenigstens eine Seite einer Membran, die mit Poly(vinyliden)fluorid behandelt ist; und (c) Bonden der Membran auf wenigstens eine Elektrode.
  14. PSSA-PVDA-Membran, die eine Katalysatorfarbe umfasst, wobei die Katalysatorfarbe ein katalytisches Material und Poly(vinylidenfluorid) beinhaltet.
  15. PSSA-PVDA-Membran nach Anspruch 14, bei der die Katalysatorfarbe ferner einen Weichmacher beinhaltet.
  16. PSSA-PVDA-Membran nach Anspruch 15, bei der der Weichmacher ein hochsiedendes Lösungsmittel ist.
  17. PSSA-PVDA-Membran nach Anspruch 16, bei der der Weichmacher N,N-Dimethylacetamid ist.
  18. PSSA-PVDA-Membran nach Anspruch 14, bei der das katalytische Material Pt umfasst.
  19. PSSA-PVDA-Membran nach Anspruch 14, bei der das katalytische Material Pt und Ru umfasst.
  20. PSSA-PVDA-Membran nach Anspruch 14, das ferner ein zweites Ionomer umfasst.
  21. PSSA-PVDA-Membran nach Anspruch 20, wobei das Ionomer ein flüssiges Copolymer aus Tetrafluorethylen und Perfluorvinylethersulfonsäure umfasst.
DE60036610T 1999-01-22 2000-01-24 Verbesserter membranelektrodenaufbau für brennstoffzelle Expired - Lifetime DE60036610T2 (de)

Applications Claiming Priority (3)

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US11674799P 1999-01-22 1999-01-22
US116747P 1999-01-22
PCT/US2000/001810 WO2000045448A2 (en) 1999-01-22 2000-01-24 Improved membrane electrode assembly for a fuel cell

Publications (2)

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DE60036610D1 DE60036610D1 (de) 2007-11-15
DE60036610T2 true DE60036610T2 (de) 2008-07-24

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8381 Inventor (new situation)

Inventor name: NARAYANAN, S. R., PASADENA, CALIF., US

Inventor name: ATTI, TONY, PASADENA, CALIF., US

Inventor name: PRAKASH, SURYA, PASADENA, CALIF., US

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