DE69701100T2

DE69701100T2 - Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE69701100T2
Application number: DE69701100T
Authority: DE
Inventors: Hideo Kato; Norimasa Kawagoe; Takafumi Okamoto; Ichiro Tanaka; Akio Yamamoto
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1996-02-05
Filing date: 1997-02-05
Publication date: 2000-10-05
Anticipated expiration: 2017-02-06
Also published as: US5752988A; EP0788173A1; JPH09274924A; EP0788173B1; DE69701100D1; JP3273591B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit, die z. B. in einer Brennstoffzelle mit einer Ionenaustauschmembran verwendet werden kann.

Beschreibung des Standes der Technik:

Eine Brennstoffzelle des Ionenaustauschmembrantyps (PEFC) wurde entwickelt und schrittweise zur praktischen Verwendung für verschiedene Anwendungen gebracht. Solch eine Brenstoffzelle wird z. B. durch Stapeln von mehreren Elektrodeneinheiten, die zwischen Separatoren angeordnet sind, aufgebaut, wobei jede der Elektrodeneinheiten eine Anode und eine Kathode gegenüberliegend angeordnet umfaßt, wobei eine Ionenaustauschmembran zwischen ihnen angeordnet ist.
Im allgemeinen ist eine solche Elektrodeneinheit als eine integrierte Einheit aufgebaut, die eine Ionenaustauschmembran, die eine Kationenaustauschmembran ist, die aus einem Polystyrol mit Sulfonsäuregruppen besteht, eine Elektrodenkatalystorschicht, einschließlich eines Elektrodenkatalysators, wie etwa ein Kohlenstoff-geträgertes Edelmetall (z. B. Pt) und einer ionenleitfähige Komponente, wie etwa Nation (Markenname, hergestellt von duPont, Fluor-enthaltender Ionenaustauscher) und eine Gasdiffusionsschicht umfaßt, wie etwa ein poröses Kohlenstoffpapier (siehe japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 7-29576).
Die oben beschriebene Elektrodeneinheit wird wie folgt hergestellt. Zunächst wird eine Elektrodenpaste durch Vermischen von z. B. einem Elektrodenkatalysator und einer ionenleitfähigen Komponente mit einem organischen Lösungsmittel zum Erleichtern des Aufbringens hergestellt. Danach wird die Elektrodenpaste gemäß einer Druckbehandlung auf einen Kohlenstoffpapierbogen, der wasserabweisend behandelt wurde, um als elektronenleitfähiger Katalysatorträger verwendet zu werden oder auf eine Ionenaustauschmembran aufgebracht. Als nächstes wird das Kohlenstoffpapier oder die Ionenaustauschmembran, auf die die Elektrodenpaste aufgebracht worden ist, einer Trocknungsbehandlung unterzogen, so daß das organische Lösungsmittel aus der Elektrodenpaste entfernt wird und die ionenleitfähige Komponente fixiert wird.
Im Fall des oben beschriebenen Herstellungsverfahrens wird jedoch die Trocknungsbehandlung z. B. mittels Erwärmen mit einer Herzvorrichtung durchgeführt, um das organische Lösungsmittel zum Erleichtern des Aufbringens von der Elektrodenpaste zu entfernen. Deshalb wird der Feuchtigkeitsgehalt in der ionenleitfähigen Komponente übermäßig verringert oder es ergibt sich ein Zustand, in dem der Feuchtigkeitsgehalt nicht wieder hergestellt werden kann. Es ist für die ionenleitfähige Komponente notwendig, immer unter konstanten angefeuchteten Bedingungen gehalten zu werden, um ein wirksamens elektrische Leistung erzeugendes Verhalten zu zeigen. Deshalb wird auf das folgende Problem hingewiesen. Die Geschwindigkeit des und Fähigkeit zum Ionenaustausch werden nämlich signifikant verringert, wenn ein Zustand entsteht, in dem der Feuchtigkeitsgehalt der ionenleitfähigen Komponente nicht wieder hergestellt werden kann. Auf der anderen Seite umfaßt die Ionenaustauschmembran den gleichen Bestandteil wie die ionenleitfähige Komponente. Wenn die Ionenaustauschmembran einer Trocknungsbehandlung mittels Erwärmen mit einer Heizvorrichtung unterzogen wird, tritt der Nachteil auf, daß die Leistung der Ionenaustauschmembran verringert wird.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, wobei es ein Ziel davon ist, ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle bereitzustellen, wobei es das Verfahren möglich macht, ein organisches Lösungsmittel in einer Elektrodepaste zu entfernen und eine ionenleitfähige Komponente zu fixieren, während ein gewünschter Feuchtigkeitsgehalt beibehalten wird.
Um das oben beschriebene Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung das folgende Verfahren bereit. Namentlich wird eine Elektrodenpaste auf einem elektronenleitfähigen Katalysatorträger oder auf einer Elektronenaustauschmembran bereitgestellt. Danach wird ein organisches Lösungsmittel in der Elektrodenpaste entfernt und eine ionenleitfähige Komponente wird fixiert, während der elektronenleitfähige Katalysatorträger oder die Ionenaustauschmembran forciert angefeuchtet werden. Entsprechend kann die ionenleitfähige Komponente ihren Feuchtigkeitsgehalt beibehalten. Somit kann eine erhaltene Brennstoffzelle ein wirksames elektrische Leistung erzeugendes Verhalten zeigen.
Die Befeuchtung wird in einem Dampfstrom durchgeführt. Entsprechend ist es möglich, zuverlässig eine Abnahme im Feuchtigkeitsgehalt in der ionenleitfähigen Komponente zu vermeiden. Darüber hinaus wird der Dampfstrom in eine Richtung geleitet, die im wesentlichen senkrecht zum elektronenleitfähigen Katalysatorträger oder zur Ionenaustauschmembran ist. Deshalb wird der elektronenleitfähige Katalysatorträger oder die Ionenaustauschmembran gleichmäßig dem Dampfstrom ausgesetzt und es ist möglich, eine Elektrodenkatalysatorschicht zu erhalten, die die Komponente gleichmäßig über die gesamte Schicht enthält. Darüber hinaus wird das Verfahren durch die Temperaturverteilung, die in der Stromrichtung in einem Behälter oder Gehäuse zur Ausführung des vorstehenden Verfahrens auftritt, kaum beeinflußt. Folglich tritt die Temperaturverteilung an dem elektronenleitfähigen Katalysatorträger oder der Ionenaustauschmembran kaum auf. Deshalb ist eine erhaltene Elektrodeneinheit gleichmäßig, was es möglich macht, die Leistung zu verbessern. Darüber hinaus ist es möglich, leicht organische Lösungsmittel mit einem hohen Siedepunkt, wie etwa Ethylenglykol, Glycerin und Propylenglykol zu entfernen.
In der vorliegenden Erfindung wird die Umgebungslufttemperatur um die Elektrodenpaste kontinuierlich oder schrittweise durch die Hilfe einer Heizvorrichtung oder den Dampf selbst erhöht. Entsprechend wird vermieden, daß Wasser und Lösungsmittel, die in der Nähe der Oberfläche der Elektrodenpaste vorliegen, einem Siedeverzug unterliegen. Somit kann die Elektrodenoberfläche gleichmäßig gehalten werden und es wird vermieden, daß sich die Elektrodenkatalysatorschicht ablöst und bricht.
Die obigen und andere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlicher, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen genommen wird, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mittels eines veranschaulichenden Beispiels gezeigt ist.
In den beigefügten Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Explosionsansicht, die eine Elektrodeneinheit veranschaulicht, die durch ein Herstellungsverfahren erhalten wurde, das gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt wurde.
Fig. 2 zeigt eine schematische Anordnung einer Trockenvorrichtung, die für das Herstellungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform verwendet wurde.
Fig. 3 zeigt ein Verfahrensdiagramm, das indem Herstellungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform übernommen wurde.
Fig. 4 zeigt die Beziehungen zwischen der Stromdichte und der Zellspannung, betreffend die Elektrodeneinheit, die durch das Herstellungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform hergestellt wurde, und eine Elektrodeneinheit, die durch ein herkömmliches Verfahren hergestellt wurde.
Fig. 5 zeigt ein Verfahrensdiagramm, das in einem Herstellungsverfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung übernommen wurde.
Fig. 6A zeigt eine schematische Anordnung einer Trocknungsvorrichtung, die für Herstellungsverfahren gemäß einer dritten und vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wurde.
Fig. 6B veranschaulicht die interne Temperaturverteilung in der Trocknungsvorrichtung.
Fig. 7 zeigt eine schematische Anordnung einer Trocknungsvorrichtung, die für Herstellungsverfahren gemäß einer fünften und sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wurde.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht einer Elektrodeneinheit 10, auf die ein Herstellungsverfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird. Die Elektrodeneinheit 10 umfaßt eine Ionenaustauschmembran 12 und ein Paar Kohlenstoffpapierbögen (elektronenleitfähige Katalysatorträger) 16, die jeweils eine Elektrodenkatalysatorschicht 14 umfassen, die darauf z. B. mittels Siebdruck aufgebracht wurde. Zum Beispiel können Kohlenstoffilz oder gesinterter poröser Kohlenstoff als elektronenleitfähiger Katalysatorträger anstelle des Kohlenstoffpapiers 16 verwendet werden.
Die Ionenaustauschmembran 12 ist eine Kationenaustauschmembran, die aus einer Perfluorverbindung besteht, die Sulfonsäuregruppen aufweist. Bevorzugt wird Nation für die Ionenaustauschmembran oder als Ionenaustauscher verwendet. Die Elektrodenkatalysatorschicht 14 umfaßt einen Elektrodenkatalysator, wie etwa Kohlenstoff-geträgertes Pt, eine ionenleitfähige Komponente, wie etwa eine Nafionlösung und gegebenenfalls PTFE als wasserabweisendes Mittel. Das Kohlenstoffpapier 16 dient als Gasdiffusionsschicht mit einer porösen Struktur. Das Kohlenstoffpapier 16 wurde zuvor einer wasserabweisenden Behandlung unterzogen, so daß seine Oberflächenporen nicht durch Wasser verschlossen werden.
Fig. 2 zeigt eine Trocknungsvorrichtung 20 zum Ausführen des Herstellungsverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform. Die Trocknungsvorrichtung 20 umfaßt eine erste Heizvorrichtung 24, die mit einer ersten Temperaturkontrolle 22 verbunden ist, einen Behälter 28, der von der ersten Heizvorrichtung 24 getragen wird, zum Speichern von Wasser 26 darin, eine Hängevorrichtung 30 zum horizontalen Tragen des Kohlenstoffpapiers 16 in dem Behälter 28, wobei seine bedruckte Oberfläche (auf einer Seite der Elektrodenkatalysatorschicht 14 befindlich) nach oben gerichtet ist, eine zweite Temperaturkontrolle 32 zum Einstellen einer Umgebungslufttemperatur in der Nähe des Kohlenstoffpapiers 16, das horizontal durch die Hängevorrichtung 30 getragen wird und eine zweite Heizvorrichtung (Heizmittel) 34, die mit der zweiten Temperaturkontrolle 32 verbunden sind.
Ein Deckel 36 ist oben auf dem Behälter 28 installiert. Der Deckel 36 ist mit der Hängevorrichtung 30 und einem ersten Temperaturdetektionsmittel 38 zur Detektion der Wassertemperatur versehen. Das erste Temperaturdetektionsmittel 38 ist mit der ersten Temperaturkontrolle 22 verbunden. Ein zweites Temperaturdetektionsmittel 40 zur Detektion der Umgebungslufttemperatur in der Nähe des Kohlenstoffpapiers 16 ist in dem Behälter 28 angeordnet. Das zweite Temperaturdetektionsmittel 40 ist mit der zweiten Temperaturkontrolle 32 verbunden.
Das Herstellungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf ein in Fig. 3 gezeigtes Verfahrensdiagramm erläutert.
Zunächst wird eine ionenleitfähige Komponente, wie etwa eine Nafionlösung, mit Ethylenglykol als organischem Lösungsmittel zum Erleichtern des Aufbringens vermischt und gegebenenfalls mit PTFE als wasserabweisendes Mittel (STPA). Eine erhaltene gemischte Lösung wird einer fraktionierten Destillation unterzogen, um Substanzen mit niedrigem Siedepunkt (STPB) zu entfernen. Eine nach der fraktionierten Destillation erhaltene gemischte Lösung wird mit einem Kohlenstoff-geträgerten Pt als Elektrodenkatalysator in STPC gemischt, um eine Paste zur Bildung einer Elektrodenkatalysatorschicht (hierin im folgenden als "Elektrodenpaste" bezeichnet) herzustellen (STPD).
Auf der anderen Seite wurde ein Kohlenstoffpapierbogen 16 zuvor in eine PTFE-Lösung eingetaucht, um eine wasserabweisende Behandlung durchzuführen. Die Elektrodenpaste wird auf das Kohlenstoffpapier 16 gemäß eines Siebdruckverfahrens aufgebracht (STPE).
Eine Dampftrocknungsbehandlung (STPF) wird auf das Kohlenstoffpapier 16 angewendet, auf das die Elektrodenpaste in STPE aufgedruckt wurde. Namentlich wird der Vorgang in einem Zustand durchgeführt, in dem das Wasser 26 in dem Behälter 28, wie in Fig. 2 gezeigt, gespeichert ist. Das Kohlenstoffpapier 16 wird durch den Deckel 36 mittels der Hängevorrichtung 30 getragen. Das Kohlenstoffpapier 16 wird horizontal gehalten, wobei die Elektrodenpastenoberfläche sich oben befindet. Entsprechend wird die Befeuchtung in einem Dampfstrom durchgeführt, der in eine Richtung gerichtet ist, die im wesentlichen senkrecht (vertikal nach oben) zur Oberfläche des Kohlenstoffpapiers 16 angeordnet ist, auf das die Elektrodenpaste durch Siebdruck aufgebracht worden ist.
Als nächstes wird die erste Heizvorrichtung 24 mit Hilfe der ersten Temperaturkontrolle 22 betrieben. Das Wasser 26 wird zum Kochen gebracht und das Kohlenstoffpapier 16 und die Elektrodenpaste werden forciert befeuchtet. Während dieses Vorgangs wird die zweite Temperaturkontrolle 32 derart betrieben, daß die Umgebungslufttemperatur um das Kohlenstoffpapier 16, auf die die Elektrodenpaste durch Siebdruck aufgebracht worden ist, kontinuierlich oder schrittweise erhöht wird.
In dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, eine hohe Umgebungslufttemperatur um das Kohlenstoffpapier 16 zu verwenden, um die Produktivität durch ein zuverlässiges Durchführen des Trocknens in einer kurzen Zeitdauer zu verbessern. Insbesondere wird die Trocknungsgeschwindigkeit erhöht, wenn die Temperatur 100ºC übersteigt. Wenn die Temperatur nicht geringer als 120ºC ist, wird die Elektrodenpaste auf dem Kohlenstoffpapier 16 beschädigt. Wenn die Temperatur schnell erhöht wird, tritt in der Nähe der Oberfläche der Elektrodenpaste auf dem Kohlenstoffpapier 16 Siedeverzug auf und es werden kraterförmige Löcher auf der Elektrodenoberfläche gebildet, was in einer ungleichmäßigen Oberflächenkonfiguration resultiert.
Deshalb wird die Temperatur praktisch auf Basis einer Dreischrittkontrolle, wie unten beschrieben, kontrolliert. Namentlich basiert ein erster Schritt auf einer Temperaturkontrolle bei 100ºC ± 5ºC für 10 Minuten, ein zweiter Schritt basiert auf einer Temperaturkontrolle bei 107ºC ± 5ºC für 10 Minuten und ein dritter Schritt basiert auf einer Temperaturkontrolle bei 113 ºC ± 5ºC für 10 Minuten.
Entsprechend wird Ethylenglykol in der Elektrodenpaste entfernt und die ionenleitfähige Komponente wird fixiert, während der Feuchtigkeitsgehalt in der ionenleitfähigen Komponente wirksam beibehalten wird.
Die Kationenaustauschmembran (Nation-Membran), die als Ionenaustauschmembran dient, wird einer Entfettungsbehandlung in STPG unterzogen. Danach wird die Kationenaustauschmembran mit dem Kohlenstoffpapier 16 nach dem Dampftrocknen mittels einer Heißpresse (STPH) zusammengefügt. Somit wird die Elektrodeneinheit 10 hergestellt.
In der ersten Ausführungsform werden das Kohlenstoffpapier 16 und die Elektrodenpaste forciert befeuchtet, wenn Ethylenglykol, d. h. ein organisches Lösungsmittel mit hohem Siedepunkt, das in der Elektrodenpaste enthalten ist, entfernt wird, nachdem die Elektrodenpaste auf das Kohlenstoffpapier 16 aufgebracht ist.
Entsprechend wird Ethylenglykol zuverlässig aus der Elektrodenpaste entfernt, während der Feuchtigkeitsgehalt in der ionenleitfähigen Komponente wirksam beibehalten wird, was es ermöglicht, zu verhindern, daß der Feuchtigkeitsgehalt abnimmt oder zu verhindern, daß die ionenleitfähige Komponente in einem nicht regenerierbaren Zustand ist. Somit ist es möglich, wirksam das elektrische Leistung erzeugende Verhalten der Elektrodeneinheit 10 zu verbessern und beizubehalten.
Darüber hinaus wird die Umgebungslufttemperatur um das Kohlenstoffpapier 16, auf das die Elektrodenpaste durch Siebdruck aufgebracht ist, auf eine schrittweise Art erhöht, die praktisch auf drei Schritten unter der Steuerung der zweiten Temperaturkontrolle 32 basiert. Entsprechend wird der Vorteil erhalten, daß die Trocknungsbehandlung wirksam in einer kurzen Zeitdauer durchgeführt wird und die Produktivität wirksam verbessert wird.
Die Beziehung zwischen der Stromdichte und der Zellspannung wurde tatsächlich unter Verwendung der Elektrodeneinheit 10 gemessen, die gemäß der ersten Ausführungsform hergestellt wurde. Die Messung wurde unter Bedingungen durchgeführt, bei denen eine elektrische Leistung erzeugt wurde und bei denen die Zelltemperatur auf 75ºC eingestellt war und der Druck an der Zellausgangsseite (Betriebsdruck) 1 atm betrug.
Ein erhaltenes Ergebnis ist durch eine durchgezogene Linie in Fig. 4 gezeigt. Eine unterbrochene Linie in Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Stromdichte und der Zellspannung, die unter Verwendung einer Elektrodeneinheit erhalten wurde, die durch ein herkömmliches Herstellungsverfahren hergestellt wurde. Spezifisch wurde in dem herkömmlichen Verfahren das Kohlenstoffpapier 16, das einem Siebdruck gemäß dem in Fig. 3 gezeigten STPE unterzogen worden ist, einer Trocknungsbehandlung unterzogen, die eine Dauer von 30 Minuten umfaßte, basierend auf der Verwendung einer auf 80ºC erwärmten Heizvorrichtung, gefolgt von einer Zeitdauer von 10 Minuten basierend auf der Verwendung eines auf 100ºC erwärmten Heizvorrichtung bei Atmosphärendruck in trockenem N&sub2;-Gas.
Im herkömmlichen Verfahren wurde der Feuchtigkeitsgehalt in der ionenleitfähigen Komponente verringert, als das organische Lösungsmittel entfernt wurde. Als Folge erzeugte das herkömmliche Verfahren Bereiche, in denen der Feuchtigkeitsgehalt nicht wieder hergestellt wurde. Deshalb war die Zellspannung signifikant insbesondere in einem Bereich verringert, in dem die Stromdichte hoch war, und es war unmöglich, ein wirksames elektrische Leistung erzeugendes Verhalten zu erhalten. Im Gegensatz dazu gelang es mit der gemäß der ersten Ausführungsform hergestellten Elektrodeneinheit 10 ein wirksames elektrische Leistung erzeugendes Verhalten über den gesamten Bereich im Bereich von der geringen Dichte bis zur hohen Dichte zu zeigen.
In der ersten Ausführungsform wird das Kohlenstoffpapier 16 horizontal mit Hilfe der Hängevorrichtung 30, wie in Fig. 2, gezeigt gehalten. Entsprechend werden die auf das Kohlenstoffpapier 16 aufgebrachten Elektrodenpastenkomponenten von einer ungleichmäßigen Verteilung abgehalten, welche ansonsten durch den Einfluß der Schwerkraft verursacht würde. Somit ist es möglich, die Elektrodenkatalysatorschicht zu erhalten, die die Komponenten gleichmäßig über die gesamte Schicht aufweist.
Der Dampfstrom wird in einer vertikal aufwärts gerichteten Richtung in der Stufe erzeugt, in der das Kohlenstoffpapier 16 horizontal gehalten wird. Deshalb ist der Dampfstrom in die Richtung gerichtet, die im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Kohlenstoffpapiers 16 ist. Entsprechend bewegt sich der Dampfstrom gleichmäßig und umgibt das gesamte Kohlenstoffpapier 16. Darüber hinaus wird das Verfahren kaum durch die in Dampfrichtung im Behälter 28, in dem die vorstehenden Schritte ausgeführt werden, erzeugte Temperaturverteilung beeinflußt und es wird kaum eine Temperaturverteilung auf dem Kohlenstoffpapier 16 erzeugt. Deshalb ist die erhaltene Elektrodeneinheit 10 gleichmäßig und die Leistung wird verbessert.
Die erste Ausführungsform wurde auf Basis der Verwendung von Ethylenglykol als organisches Lösungsmittel zum Vereinfachen des Auftragens erläutert. Es gibt jedoch keine Beschränkung darauf. Die gleiche Wirkung wird unter Verwendung von z. B. einem von Glycerin, Propylenglykol, Diethylenglykol, Triethylenglykol und Benzylalkohol erhalten.
Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nachstehend unter Bezug auf das in Fig. 5 gezeigte Verfahrensdiagramm erläutert. Eine detaillierte Erklärung wird für die Teile des Verfahrens ausgelassen, die gleich denjenigen der ersten Ausführungsform sind.
In der zweiten Ausführungsform wird die Elektrodenpaste mittels Siebdruck (STPE') auf die Kationenaustauschmembran aufgebracht, die dem Entfettungsbehandlungsschritt (STPG') unterzogen worden ist, d. h. auf die Ionenaustauschmembran 12. Als nächstes wird die mit der Elektrodenpaste versehene Ionenaustauschmembran 12 dem Dampftrocknen in der gleichen Weise unterzogen, wie es in der ersten Ausführungsform durchgeführt wird, unter Verwendung der in Fig. 2 gezeigten Trocknungsvorrichtung 20 (STPF').
In dieser Ausführungsform wird Nation als Ionenaustauscher für die Ionenaustauschmembran 12 in der gleichen Weise wie für die ionenleitfähige Komponente verwendet. Die Ionenaustauschmembran 12 wird während des Entfernens des organischen Lösungsmittels forciert befeuchtet. Deshalb wird in der zweiten Ausführungsform der Feuchtigkeitsgehalt in der ionenleitfähigen Komponente während des Entfernens des organischen Lösungsmittels in der gleichen Weise wie in der ersten Ausführungsform nicht verringert. Weiterhin kann der Feuchtigkeitsgehalt der Ionenaustauschmembran 12 selbst wirksam beibehalten werden. Entsprechend können die Ionenaustauschmembran 12 und die ionenleitfähige Komponente in einem konstanten befeuchteten Zustand gehalten werden, wenn eine erhaltene Elektrodeneinheit 10 für eine Brennstoffzelle verwendet wird, was es möglich macht, daß sie ein wirksames elektrische Leistung erzeugendes Verhalten zeigt.
Fig. 6A zeigt eine schematische Anordnung einer Trocknungsvorrichtung 60, die zur Ausführung von Herstellungsverfahren gemäß einer dritten und vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Trocknungsvorrichtung 60 umfaßt einen Behälter 64, der von einer Heizvorrichtung 62 gehalten wird. Wasser wird in dem Behälter 64 gespeichert. Der Behälter 64 ist auf seinen beiden Seiten mit einer Einlaßöffnung 68 und einer Auslaßöffung 70 versehen, die jeweils auf einer vorbestimmten Höhenposition gebildet und angeordnet sind. Eine Einfuhrfördereinrichtung 72 und eine Ausfuhrfördereinrichtung 74 sind in der Nähe der Einlaßöffnung 68 bzw. der Auslaßöffnung 70 angeordnet.
Ein Transportmittel 76 ist in dem Behälter 64 zum Transportieren des Kohlenstoffpapiers 16, auf das die Elektrodenpaste aufgebracht wurde, oder der Ionenaustauschmembran 12, auf die die Elektrodenpaste aufgebracht wurde, von der Einlaßöffung 68 zu der Auslaßöffnung 70 vorgesehen. Das Transportmittel 76 wird derart betrieben und gesteuert, daß es in eine Richtung (angezeigt durch einen Pfeil B) bewegt wird, um sich der Oberfläche 78 des kochenden Wassers anzunähern, welches einen Dampfstrom erzeugt, während es in eine Richtung im Behälter 64 bewegt wird, die durch einen Pfeil A angezeigt ist, und dann wird es zu der Höhe der Auslaßöffnung 70 angehoben.
Das Herstellungsverfahren gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird gemäß dem in Fig. 3 gezeigten Verfahren in der gleichen Weise wie die erste Ausführungsform ausgeführt. Eine Dampftrocknungsbehandlung wird in STPF unter Verwendung der Trocknungsvorrichtung 60 durchgeführt. Namentlich wird, wie in Fig. 6A gezeigt, zunächst das Kohlenstoffpapier 16, auf das die Elektrodenpaste (durch Siebdruck) aufgebracht wurde, in den Behälter 64 durch die Einlaßöffnung 68 mit Hilfe der Einfuhrfördervorrichtung 72 eingeführt und es wird auf der Transportvorrichtung 76 getragen. Das Wasser 66 wurde im Behälter 64 durch Betreiben der Heizvorrichtung 62 zum Kochen gebracht. Ein vertikal nach oben gerichteter Dampfstrom wird im Behälter 64 erzeugt.
Das Kohlenstoffpapier 16, auf das die Elektrodenpaste aufgetragen ist, wird in eine Position gebracht, die um einen vorbestimmten Abstand von der Oberfläche 78 des kochenden Wassers, von der der Dampfstrom erzeugt wird, entfernt angeordnet ist. Danach wird das Kohlenstoffpapier 16 nach unten bewegt (in die durch den Pfeil B angezeigte Richtung), während es in die durch den Pfeil A angezeigte Richtung mit Hilfe des Betriebs des Transportmittels 76 bewegt wird. In dieser Ausführungsform ist eine Beziehung, wie in Fig. 6B gezeigt, zwischen der Umgebungslufttemperatur und der Höhe von der Oberfläche des kochenden Wassers 78 gegeben.
In der dritten Ausführungsform wird das Kohlenstoffpapier 16, auf das die Elektrodenpaste aufgebracht ist, kontinuierlich oder schrittweise in die durch den Pfeil B angezeigte Richtung bewegt. Entsprechend wird die Umgebungslufttemperatur um die Elektrodenpaste kontinuierlich oder schrittweise erhöht. Deshalb wird die gleiche Wirkung wie die, die in der ersten Ausführungsform erhalten wurde, erhalten. Namentlich kann z. B. vermieden werden, daß sich auf der Elektrodenoberfläche kraterförmige Löcher bilden.
In der dritten Ausführungsform wird das Kohlenstoffpapier 16, auf das die Elektrodenpaste aufgebracht ist, durch die Einlaßöffnung 68 in den Behälter 64 mit Hilfe der Einfuhrfördervorrichtung 72 eingeführt und dann wird es durch die Auslaßöffnung 70 des Behälters 64 mit Hilfe der Ausfuhrfördervorrichtung 74 ausgeführt. Entsprechend wird ein Vorteil erhalten, der darin besteht, daß das Kohlenstoffpapier 16, auf das die Elektrodenpaste aufgebracht ist, kontinuierlich und automatisch behandelt werden kann.
In der dritten Ausführungsform ist die Transportvorrichtung 76 derart konstruiert, daß sie eine Bewegung in die durch den Pfeil A angezeigte Richtung macht. Es kann jedoch z. B. die Trocknungsvorrichtung 20, die in Fig. 2 gezeigt ist, verwendet werden und es kann eine Transportvorrichtung, die in der Lage ist, nur eine Bewegung nach oben und nach unten zu machen, in der Trocknungsvorrichtung 20 vorgesehen werden.
Das Herstellungsverfahren gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird gemäß dem in Fig. 5 gezeigten Verfahren in der gleichen Weise ausgeführt, wie es in der zweiten Ausführungsform ausgeführt wird, mit der Maßgabe, daß die Dampftrocknungsbehandlung unter Verwendung der Trocknungsvorrichtung 60 durchgeführt wird.
Namentlich wird, wie in Fig. 6A gezeigt, zunächst die Ionenaustauschmembran 12, auf die die Elektrodenpaste (durch Siebdruck) aufgebracht ist, in den Behälter 64 durch die Einlaßöffnung 68 mit Hilfe der Einfuhrfördervorrichtung 72 eingebracht und sie wird auf der Transportvorrichtung 76 getragen. Danach wird die Transportvorrichtung 76 nach unten (in die durch den Pfeil B angezeigte Richtung) bewegt, während sie in die durch den Pfeil A angezeigte Richtung bewegt wird, und dann wird sie zur Auslaßöffnung 70 bewegt. Entsprechend wird in der vierten Ausführungsform die gleiche Wirkung erzielt wie die, die in der zweiten Ausführungsform erhalten wird.
Fig. 7 zeigt eine Trocknungsvorrichtung 100 zum Ausführen von Herstellungsverfahren gemäß einer fünften und sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Trocknungsvorrichtung 100 umfaßt ein Trocknungsgehäuse 102. Das Gehäuse 102 ist an seiner Innenseite mit mehreren Trennplattenstufen 106 versehen, die eine Vielzahl von Einlaßlöchern 104 aufweisen, die durch die Trennplatten durchgehend ausgebildet sind, so daß eine Vielzahl von Anordnungsabschnitten 108 in einer vertikal ausgerichteten Weise aufgebaut wird. Eine Heizvorrichtung (Heizmittel) 110 wird am Boden des Gehäuses 102 bereitgestellt. Ein Gaszirkulationslüfter 112 ist in der Nähe der Heizvorrichtung 110 angeordnet. Der Gaszirkulationslüfter 112 ist mit Hilfe eines Motors 114 drehbar.
Das Gehäuse 102 steht an seiner unteren Seitenwandfläche mit einer Feuchtigkeitskontrolle 118 durch einen Röhrendurchgang 116 in Verbindung. Die Feuchtigkeitskontrolle 118 steht mit einer nicht gezeigten Zulieferquelle von Trägergas, das zum Trocknen verwendet wird, durch einen Röhrendurchgang 120 in Verbindung. Das Gehäuse 102 ist an seiner oberen Seitenwandfläche mit einer Rückgewinneinheit 124 zum Rückgewinnen von Wasser und Lösungsmittel durch einen Röhrendurchgang 122 verbunden. Vorrichtungen, die als Feuchtigkeitskontrolle 118 verwendbar sind umfassen solche, die auf verschiedenen Systemen basieren, wie etwa das Gasblasensystem, das Membrananfeuchtungssystem, das Ultraschallanfeuchtungssystem und das Anfeuchtungssystem basierend auf der Verwendung von porösen Materialien.
In dem Herstellungsverfahren gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden mehrere Kohlenstoffpapierbögen 16, auf die die Elektrodenpaste aufgetragen ist, in die jeweiligen Anordnungsbereiche 108 in dem Gehäuse 102 gegeben. Danach wird das Trägergas, welches mit Hilfe des Betriebs der Feuchtigkeitskontrolle 118 auf einen vorbestimmten Feuchtigkeitszustand eingestellt ist, in das Gehäuse 102 durch den Röhrendurchgang 116 eingebracht. Der Gaszirkulationslüfter 112 wird mit Hilfe des Motors 114 betrieben und die Heizvorrichtung 110 wird betrieben, so daß die Temperatur in dem Gehäuse 102 kontinuierlich oder schrittweise steigt.
Entsprechend wird das angefeuchtete Trägergas durch die Einlaßlöcher 104 der Trennplatten 106 geleitet und es bewegt sich vom Boden zum oberen Teil des Gehäuses 102. Somit werden die Kohlenstoffpapierbögen 16, auf die die Elektrodenpaste aufgebracht ist, die in den jeweiligen Anordnungsbereichen 108 angeordnet sind, forciert befeuchtet. In diesem Verfahren wird die Temperatur im Gehäuse 102 kontinuierlich oder schrittweise im Verlauf der Zeit mit Hilfe der Heizvorrichtung 110 erhöht. Deshalb tritt an der Oberfläche der Elektrodenpaste kein Siedeverzug auf und der Feuchtigkeitsgehalt in der ionenleitfähigen Komponente kann wirksam beibehalten werden. Weiterhin kann eine präzisere Kontrolle durch optionelles Steuern der Feuchtigkeitskontrolle 118 durchgeführt werden, so daß die Feuchtigkeit in dem Gehäuse 102 ebenfalls eingestellt wird.
In dem Herstellungsverfahren gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden mehrere Ionenaustauschmembranen 12, auf die die Elektrodenpaste aufgebracht ist, in die jeweiligen Anordnungsbereiche 108 in dem Gehäuse 102 in der gleichen Weise wie in der fünften Ausführungsform durchgeführt, angeordnet. Somit kann das organische Lösungsmittel zuverlässig in einer Stufe entfernt werden, in der die Ionenaustauschmembranen 12 forciert mit Hilfe der Feuchtigkeitskontrolle 118 und der Heizvorrichtung 110 befeuchtet werden.
Im Verfahren zur Herstellung der Elektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Elektrodenpaste, die unter Verwendung des organischen Lösungsmittels und des Materials zum Aufbau der Elektrodenkatalysatorschicht gebildet ist, auf den elektronenleitfähigen Katalysatorträger oder auf die Ionenaustauschmembran aufgebracht. Danach wird das organische Lösungsmittel entfernt und die ionenleitfähige Komponente wird fixiert, während der elektronenleitfähige Katalysatorträger oder die Ionenaustauschmembran forciert befeuchtet werden. Entsprechend wird verhindert, daß die ionenleitfähigen Komponente und die Ionenaustauschmembran austrocknen und es wird verhindert, daß es nicht gelingt, darin einen gewünschten Feuchtigkeitsgehalt wieder herzustellen. Somit ist es möglich, ein wirksames elektrische Leistung erzeugendes Verhalten zu zeigen, indem ein vorbestimmter angefeuchteter Zustand beibehalten wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle, umfassend die Schritte:

Bereitstellen einer Elektrodenpaste auf einem elektronenleitfähigen Katalysatorträger (16), die aus einem organischen Lösungsmittel und einem Elektrodenkatalysatorschicht- aufbauenden Material besteht, welches einen Elektrodenkatalysator und eine ionenleitfähige Komponente enthält; und

Entfernen des organischen Lösungsmittels und Fixieren der ionenleitfähigen Komponente und des Elektrodenkatalysators auf dem elektronenleitfähigen Katalysatorträger (16), während eine forcierte Befeuchtung für den elektronenleitfähigen Katalysatorträger (16), der mit der Elektrodenpaste darauf versehen ist, durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Befeuchtung in einem Dampfstrom durchgeführt wird, der in eine Richtung gerichtet ist, die im wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche des elektronenleitfähigen Katalysatorträgers (16) ist, der mit der Elektrodenpaste darauf versehen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin die Umgebungslufttemperatur um die Elektrodenpaste kontinuierlich oder schrittweise unter Verwendung eines Heizmittels (34) erhöht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin die Umgebungslufttemperatur um die Elektrodenpaste durch Einbringen des elektronenleitfähigen Katalysatorträgers (16), der mit der Elektrodenpaste darauf versehen ist, in eine Position, die um einen vorbestimmten Abstand von einer Oberfläche (78) von kochendem Wasser, welches den Dampfstrom erzeugt, entfernt angeordnet ist und dann durch Bewegen des elektronenleitfähigen Katalysatorträgers (16), der mit der Elektrodenpaste darauf versehen ist, in eine Richtung, in der er sich der Oberfläche (78) des kochenden Wassers kontinuierlich oder schrittweise annähert, erhöht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4, worin der elektronenleitfähige Katalysatorträger (16), der mit der Elektrodenpaste darauf versehen ist, in einem Trocknungsgehäuse (102) angeordnet wird, ein befeuchtetes und eingestelltes Gas dem Trocknungsgehäuse (102) zugeführt wird und die Temperatur in dem Trocknungsgehäuse (102) kontinuierlich oder schrittweise unter Verwendung einer Heizvorrichtung (110) erhöht wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das organische Lösungsmittel eines von Ethylenglykol, Glycerin, Propylenglykol, Diethylenglykol, Triethylenglykol und Benzylalkohol enthält.

7. Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle, umfassend die Schritte:

Bereitstellen einer Elektrodenpaste auf einer Ionenaustauschmembran (12), die aus einem organischen Lösungsmittel und einem Elektrodenkatalysatorschichtaufbauenden Material besteht, welches einen Elektrodenkatalysator und eine ionenleitfähige Komponente enthält und

Entfernen des organischen Lösungsmittels und Fixieren der ionenleitfähigen Komponente und des Elektrodenkatalysators auf der Ionenaustauschmembran (12), während eine forcierte Befeuchtung für die Ionenaustauschmembran (12) durchgeführt wird, die mit der Elektrodenpaste darauf versehen ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, worin die Befeuchtung in einem Dampfstrom durchgeführt wird, der in eine Richtung gerichtet ist, die im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Ionenaustauschmembran (12) ist, die mit der Elektrodenpaste darauf versehen ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, worin die Umgebungslufttemperatur um die Elektrodenpaste kontinuierlich oder schrittweise unter Verwendung eines Heizmittels (34) erhöht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, worin die Umgebungslufttemperatur um die Elektrodenpaste durch Einbringen der Ionenaustauschmembran (12), die mit der Elektrodenpaste darauf versehen ist, in eine Position, die um einen vorbestimmten Abstand von einer Oberfläche (78) von kochendem Wasser, das den Dampfstrom erzeugt, entfernt angeordnet ist und dann durch Bewegen der Ionenaustauschmembran (12), die mit der Elektrodenpaste darauf versehen ist, in eine Richtung, in der sie sich der Oberfläche (78) des kochenden Wassers kontinuierlich oder schrittweise annähert, erhöht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7, 8 und 10, worin die Ionenaustauschmembran (12), die mit der Elektrodenpaste darauf versehen ist, in einem Trocknungsgehäuse (102) angeordnet wird, ein angefeuchtetes und eingestelltes Gas dem Trocknungsgehäuse (102) zugeführt wird und die Temperatur in dem Trocknungsgehäuse (102) kontinuierlich oder schrittweise unter Verwendung einer Heizvorrichtung (110) erhöht wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, worin das organische Lösungsmittel eines von Ethylenglykol, Glycerin, Propylenglykol, Diethylenglykol, Triethylenglykol und Benzylalkohol enthält.