DE69804019T2 - CONTINUOUS METHOD FOR PRODUCING A LAMINATED ELECTROLYTE ELECTRODE ARRANGEMENT - Google Patents

CONTINUOUS METHOD FOR PRODUCING A LAMINATED ELECTROLYTE ELECTRODE ARRANGEMENT

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Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines kontinuierlichen, laminierten Mehrschicht-Elektrolyts und einen Elektrodenaufbau ("Laminataufbau") für eine elektrochemische Brennstoffzelle.The present invention relates to an improved method for producing a continuous, laminated multilayer electrolyte and an electrode structure ("laminate structure") for an electrochemical fuel cell.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Elektrochemische Brennstoffzellen wandeln Brennstoff und Oxidationsmittel in Elektrizität und Reaktionsprodukt um. Elektrochemische Brennstoffzellen mit festem Polymer verwenden im Allgemeinen einen Membranelektrodenaufbau ("MEA"), bei dem ein Elektrolyt in Form einer Ionenaustausch-Membran zwischen zwei Elektrodenschichten angeordnet ist. Die Elektrodenschichten bestehen aus porösem, elektrisch leitfähigem Schichtmaterial, wie Kohlenstofffaserpapier oder Kohlenstoffgewebe. In einem typischen MEA stellen die Elektrodenschichten strukturelle Unterstützung für die Membran bereit, die typischerweise dünn und flexibel ist.Electrochemical fuel cells convert fuel and oxidizer into electricity and reaction product. Solid polymer electrochemical fuel cells generally use a membrane electrode assembly ("MEA") in which an electrolyte in the form of an ion exchange membrane is sandwiched between two electrode layers. The electrode layers are made of porous, electrically conductive sheet material, such as carbon fiber paper or carbon cloth. In a typical MEA, the electrode layers provide structural support for the membrane, which is typically thin and flexible.

Der MEA enthält einen Elektrokatalysator, der typischerweise fein zerkleinerte Platinpartikel beinhaltet, die in einer Schicht an jedem Membran/Elektroden-Schichtübergang angeordnet sind, um die gewünschte elektrochemische Reaktion zu induzieren. Die Elektroden sind elektrisch gekoppelt, um einen Pfad für leitende Elektronen zwischen den Elektroden über eine externe Last bereitzustellen.The MEA contains an electrocatalyst, typically comprising finely crushed platinum particles arranged in a layer at each membrane/electrode layer junction to induce the desired electrochemical reaction. The electrodes are electrically coupled to provide a path for conducting electrons between the electrodes via an external load.

Während des Betriebs der Brennstoffzelle durchdringt der Brennstoff an der Anode die poröse Elektrodenschicht und reagiert an der Elektrokatalysatorschicht, um Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen wandern durch die Ionenaustauschmembran zu der Kathode. An der Kathode durchdringt die sauerstoffhaltige Gasversorgung das poröse Elektrodenmaterial und reagiert an der Kathoden-Elektrokatalysatorschicht mit den Protonen, um Wasser als Reaktionsprodukt zu bilden.During operation of the fuel cell, the fuel at the anode penetrates the porous electrode layer and reacts at the electrocatalyst layer to generate protons and electrons. The protons migrate through the ion exchange membrane to the cathode. At the cathode, the oxygen-containing gas supply penetrates the porous electrode material and reacts with the protons at the cathode electrocatalyst layer to form water as a reaction product.

In herkömmlichen Brennstoffzellen ist der MEA zwischen zwei elektrisch leitfähigen Platten angeordnet, die jeweils typischerweise wenigstens einen darin ausgebildeten Strömungskanal aufweisen. Die Strömungskanäle leiten den Brennstoff und das Oxidationsmittel zu den jeweiligen Elektroden, nämlich der Anode auf der Brennstoffseite und der Kathode auf der Oxidationsmittelseite. In einer einzelnen Zellenanordnung sind auf jeder der Anoden- und der Kathodenseite Fluidflussfeldplatten vorgesehen. Die Fluidflussfeldplatten wirken als Stromkollektoren, stellen Brennstoff und Oxidationsmittel für die jeweiligen katalytischen Anoden- und Kathodenoberflächen bereit und stellen Kanäle für die Abfuhr von Abgasfluidströmen bereit.In conventional fuel cells, the MEA is disposed between two electrically conductive plates, each typically having at least one flow channel formed therein. The flow channels direct the fuel and oxidant to the respective electrodes, namely the anode on the fuel side and the cathode on the oxidant side. In a single cell assembly, fluid flow field plates are provided on each of the anode and cathode sides. The fluid flow field plates act as current collectors, provide fuel and oxidant to the respective anode and cathode catalytic surfaces, and provide channels for the removal of exhaust fluid streams.

Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung eines MEA zur Verwendung in einer elektrochemischen Brennstoffzelle besteht darin, eine Wärmepressung zu verwenden, um die MEA-Komponenten miteinander zu verbinden. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass eine Wärmepressung des gesamten Aufbaus, der die porösen Elektrodenschichten, das Katalysatormaterial und den Festpolymerelektrolyt beinhaltet, jede dieser Komponenten unerwünschten mechanischen und thermischen Spannungsbelastungen aussetzt. Derartige mechanische und thermische Spannungsbelastungen können die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer eines MEA in einer in Betrieb befindlichen Brennstoffzelle verringern. Ein weiterer Nachteil bezieht sich auf die Anwendbarkeit dieses bekannten Verfahrens für Massenproduktion. Das Wärmepressverfahren ist typischerweise ein diskontinuierlicher oder "stoßweiser" Prozess. Während die Presse beheizt wird, wird typischerweise eine Schichtstruktur, die Elektroden, Katalysatorschichten und eine feste Ionenaustauschmembran beinhaltet, in eine Presse eingesetzt, darin gepresst und nachfolgend aus der Presse entnommen. Diese herkömmliche stoßweise Prozedur beinhaltet eine ineffiziente, kostenintensive und zeitverbrauchende Prozesssteuerung.One known method for manufacturing an MEA for use in an electrochemical fuel cell is to use heat pressing to bond the MEA components together. A disadvantage of this method is that heat pressing the entire structure, which includes the porous electrode layers, the catalyst material, and the solid polymer electrolyte, subjects each of these components to undesirable mechanical and thermal stresses. Such mechanical and thermal stresses can reduce the performance and lifetime of an MEA in an operating fuel cell. Another disadvantage relates to the applicability of this known method for mass production. The heat pressing process is typically a discontinuous or "burst" process. While the press is heated, a layered structure, which includes electrodes, catalyst layers, and a solid ion exchange membrane, is typically inserted into a press, pressed therein, and subsequently removed from the press. This traditional intermittent procedure involves inefficient, costly and time-consuming process control.

Das deutsche Patent DE 195 09 748 C2 offenbart einen generischen Prozess zur Erzeugung eines Kompositlaminats, das ein Elektrodenmaterial, ein Katalysatormaterial und ein festes Elektrolytmaterial beinhaltet. Die Komponentenmaterialien werden auf einer elektrostatisch geladenen Oberfläche angeordnet, und ein externer Heizer erwärmt das feste Elektrolytmaterial, bis die obere Seite des Elektrolytmaterials weich wird. Während die obere Seite des Elektrolytmaterials noch weich ist, wird sie unter Druck an das Katalysatormaterial angelegt, um das Katalysatormaterial an den Polymerelektrolyten zu bonden. Nach dem Bewirken der Bindung wird das Kompositlaminat von der Oberfläche entfernt. Ein Problem bei diesem Verfahren besteht darin, dass die Abmessungen der elektrostatisch geladenen Oberfläche die Größe des erzeugten MEA begrenzen. Mit diesem Verfahren kann keine kontinuierliche Flächenbahn hergestellt werden.The German patent DE 195 09 748 C2 discloses a generic process for producing a composite laminate comprising an electrode material, a catalyst material and a solid electrolyte material. The Component materials are placed on an electrostatically charged surface, and an external heater heats the solid electrolyte material until the top side of the electrolyte material softens. While the top side of the electrolyte material is still soft, it is applied to the catalyst material under pressure to bond the catalyst material to the polymer electrolyte. After bonding is effected, the composite laminate is removed from the surface. One problem with this process is that the dimensions of the electrostatically charged surface limit the size of the MEA produced. This process cannot produce a continuous sheet of surface.

Demgemäß besteht ein Bedarf für einen kontinuierlichen Prozess zur Herstellung eines kontinuierlichen laminierten Elektrolyt-Elektroden-Aufbaus. Ein kontinuierlicher Prozess ist wünschenswert, um die Effizienz durch Erhöhen der Produktivität und der Geschwindigkeit des Herstellungsprozesses zu verbessern, um dadurch Herstellungskosten zu reduzieren.Accordingly, there is a need for a continuous process for manufacturing a continuous laminated electrolyte electrode assembly. A continuous process is desirable to improve efficiency by increasing productivity and speed of the manufacturing process, thereby reducing manufacturing costs.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

DE 195 09 749 A1 offenbart ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung eines kontinuierlichen Mehrschicht-Laminataufbaus für eine elektrochemische Zelle, wobei das Verfahren das Aufbringen eines Katalysatorpulvers durch Rollen desselben auf eine Elektrodensubstratschicht und anschließendes Laminieren einer Membranschicht darauf beinhaltet. Die Katalysatorschicht beinhaltet ein Gemisch aus Elektrodenmaterial, Katalysatormaterial und festem Elektrolytmaterial, und beim Laminierungsschritt wird die Oberfläche der Katalysatorschicht durch Erwärmen weich gemacht, bevor die Membranschicht darauf angebracht wird, und der Aufbau wird durch einen Spalt geführt, der durch zwei Laminierwalzen definiert ist.DE 195 09 749 A1 discloses a continuous process for producing a continuous multilayer laminate structure for an electrochemical cell, the process comprising applying a catalyst powder by rolling it onto an electrode substrate layer and subsequently laminating a membrane layer thereon. The catalyst layer comprises a mixture of electrode material, catalyst material and solid electrolyte material, and in the lamination step the surface of the catalyst layer is softened by heating before the membrane layer is applied thereon and the structure is passed through a gap defined by two laminating rollers.

WO 97/23919 A1 offenbart eine andere Herstellung eines kontinuierlichen Mehrschicht-Laminataufbaus für eine elektrochemische Zelle, wobei das Verfahren eine Beschichtung einer vorgeformten Membranschicht und/oder einer vorgeformten Elektrodensubstratschicht mit einer Katalysatorschicht durch Sprühen, Eintauchen oder Benetzen und ein anschließendes Laminieren einer derartigen vorgeformten Elektrodensubstratschicht auf eine oder beide Seiten der Membranschicht mit der aufgebrachten Katalysatorbeschichtung dazwischen beinhaltet.WO 97/23919 A1 discloses another method of manufacturing a continuous multilayer laminate structure for an electrochemical cell, the method comprising coating a preformed membrane layer and/or a preformed electrode substrate layer with a catalyst layer by spraying, dipping or wetting and then laminating such a preformed electrode substrate layer on one or both sides of the membrane layer with the applied catalyst coating in between.

Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem besteht darin, ein verbessertes kontinuierliches Herstellungsverfahren zur Erzeugung eines kontinuierlichen Mehrschicht-Laminataufbaus zur Verwendung in elektrochemischen Energiewandlern bereitzustellen, insbesondere Brennstoffzellen, aber auch Elektrolysiervorrichtungen und Speichermedien (zum Beispiel Doppelschichtkatalysatoren).The problem underlying the present invention is to provide an improved continuous manufacturing process for producing a continuous multilayer laminate structure for use in electrochemical energy converters, in particular fuel cells, but also electrolyzers and storage media (for example double-layer catalysts).

Dieses Problem wird durch Bereitstellen eines kontinuierlichen Verfahrens zur Herstellung eines kontinuierlichen Mehrschicht-Laminataufbaus für eine elektrochemische Zelle nach Anspruch 1 gelöst.This problem is solved by providing a continuous process for producing a continuous multilayer laminate structure for an electrochemical cell according to claim 1.

Der so erzeugte laminierte Aufbau beinhaltet eine erste und eine zweite vorgefertigte Elektrodenschicht, eine Elektrolytschicht, die zwischen die erste und die zweite Elektrodenschicht eingefügt ist, eine erste Katalysatorschicht, die zwischen die erste Elektrodenschicht und eine erste Hauptoberfläche der Elektrolytschicht eingefügt ist, sowie einen zweiten Katalysator, der zwischen die zweite Elektrodenschicht und eine zweite Hauptoberfläche der Elektrolytschicht eingefügt ist. Die Elektrolytschicht beinhaltet einen ionischen Elektrolyten oder einen Elektrolyt-Vorläufer, der in eine ionische Form umgewandelt werden kann, die als ein Elektrolyt geeignet ist. Das Verfahren beinhaltet die Bildung wenigstens einer der Katalysator- und Elektrolytschichten als Extrusionsschicht und die Verwendung der Schicht als laminierendes Medium, um selbige an die zwei unmittelbar benachbarten Schichten des Laminataufbaus zu bonden, die als vorgefertigte Schichten bereitgestellt sind, wodurch diese zwei vorgefertigten Schichten des Laminataufbaus zusammengebondet werden. Die in-situ gefertigte Schicht wirkt vorzugsweise als das laminierende Medium, während sie noch immer weich oder in einem formbaren Zustand ist, wenn die Schichten des Laminataufbaus zusammengepresst werden.The laminated structure thus produced includes first and second preformed electrode layers, an electrolyte layer interposed between the first and second electrode layers, a first catalyst layer interposed between the first electrode layer and a first major surface of the electrolyte layer, and a second catalyst interposed between the second electrode layer and a second major surface of the electrolyte layer. The electrolyte layer includes an ionic electrolyte or an electrolyte precursor that can be converted to an ionic form suitable as an electrolyte. The method includes forming at least one of the catalyst and electrolyte layers as an extrusion layer and using the layer as a laminating medium to bond the same to the two immediately adjacent layers of the laminate structure provided as preformed layers, thereby bonding these two preformed layers of the laminate structure together. The in-situ fabricated layer preferably acts as the laminating medium while still being soft or in a malleable state when the layers of the laminate structure are pressed together.

In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die erste und die zweite Katalysatorschicht sowie die Elektrolytschicht alle in-situ durch eine Dreischicht-Extrusion erzeugt. Die gegenüberliegenden Hauptoberflächen der Dreischicht-Extrusion wirken als die laminierenden Medien zum Bonden der Dreischicht-Extrusion an die unmittelbar benachbarten, vorgefertigten Elektrodenschichten. Die Dreischicht-Extrusion kann durch eine Mehrkanal-Einzelschlitzextrusionsdüse erzeugt werden. Geeignete Katalysatorgemische und Elektrolyt-Materialien (oder Elektrolytvorläufer-Materialien) können kontinuierlich in getrennte Einlasskammern eines Extrusionsaufbaus zugeführt werden. Diese Materialien liegen vorzugsweise in Form von Granulat oder einer Paste vor. Jede der Einlasskammern ist mit einem der Kanäle der Extrusionsdüse fluidverbunden.In one embodiment of the method, the first and second catalyst layers as well as the electrolyte layer are all created in-situ by a three-layer extrusion. The opposing major surfaces of the three-layer extrusion act as the laminating media for bonding the three-layer extrusion to the immediately adjacent, prefabricated electrode layers. The three-layer extrusion can be produced by a multi-channel single-slot extrusion die. Suitable catalyst mixtures and electrolyte materials (or electrolyte precursor materials) can be continuously fed into separate inlet chambers of an extrusion setup. These materials are preferably in the form of granules or a paste. Each of the inlet chambers is fluidly connected to one of the channels of the extrusion die.

Das Material, das für die Elektrolytschicht ausgewählt wird, ist als eine lonenaustauschschicht in einer elektrochemischen Zelle geeignet oder ist ein Vorläufer-Elektrolytmaterial, das in eine Ionenaustauschschicht transformierbar ist. Ein Vorläufermaterial kann zum Beispiel nach der Extrusion unter Verwendung bekannter Verfahren, wie zum Beispiel Hydrolyse, aus einer nicht-ionischen in eine ionische Form umgewandelt werden.The material selected for the electrolyte layer is suitable as an ion exchange layer in an electrochemical cell or is a precursor electrolyte material that is transformable into an ion exchange layer. For example, a precursor material can be converted from a non-ionic to an ionic form after extrusion using known methods such as hydrolysis.

Die gefertigte Elektrolytschicht weist vorzugsweise die folgenden Eigenschaften auf:The manufactured electrolyte layer preferably has the following properties:

- im Wesentlichen undurchlässig für Reaktandenfluide;- essentially impermeable to reactant fluids;

- Ionenleiter;- ionic conductors;

- elektrischer Isolator; und- electrical insulator; and

- im Wesentlichen inert in einer elektrochemischen Brennstoffzellenumgebung.- essentially inert in an electrochemical fuel cell environment.

In dem Laminataufbau kann die Elektrolytschicht eine feste Form annehmen oder in der Form eines Gels oder einer Paste verbleiben. Das Elektrolytmaterial ist vorzugsweise polymer, es kann jedoch auch nicht-polymer sein, solange es die vorstehend identifizierten Eigenschaften aufweist. Einige Beispiele für einige bevorzugte Elektrolytmaterialien sind auf Perfluorsulfonsäure basierende Materialien, wie NafionTM, auf Polyetheretherketonketon (Poly(oxy-1,4-phenylenoxy-1,4-phenylencarbonyl-1,4-phenylen) oder PEEKK) basierende onenleitende Polymere, auf sulfoniertem Polytrifluorstyrol basierende ionenleitende Polymere, wie BAMTM-Polymer.In the laminate structure, the electrolyte layer may take a solid form or remain in the form of a gel or paste. The electrolyte material is preferably polymeric, but it may also be non-polymeric as long as it has the properties identified above. Some examples of some preferred electrolyte materials are perfluorosulfonic acid based materials such as Nafion™, polyetheretherketoneketone (poly(oxy-1,4-phenyleneoxy-1,4-phenylenecarbonyl-1,4-phenylene) or PEEKK) based ion-conducting polymers, sulfonated polytrifluorostyrene based ion-conducting polymers such as BAM™ polymer.

Das Katalysatorgemisch kann Katalysator-Partikel und ein Bindematerial beinhalten. Das Bindematerial ist vorzugsweise kompatibel zum Bonden mit der Elektrolytschicht und kann das gleiche Material wie dasjenige sein, das in der Elektrolytschicht verwendet wird. Das Katalysatorgemisch kann außerdem Additive enthalten, welche die gewünschten Eigenschaften der Katalysatorschicht verbessern, wie Fluidtransporteigenschaften, Permeabilität, ionische Leitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Unter Verwendung des beschriebenen Verfahrens ist es möglich, verschiedene Katalysatorgemischzusammensetzungen für die zwei Katalysatorschichten zu verwenden, indem verschiedene Katalysatorgemische in die getrennten Extrusionsaufbaukammern eingebracht werden.The catalyst mixture may include catalyst particles and a binding material. The binding material is preferably compatible with bonding with the electrolyte layer and may be the same material as that used in the electrolyte layer. The catalyst mixture may also contain additives which improve the desired properties of the catalyst layer, such as fluid transport properties, permeability, ionic conductivity and electrical conductivity. Using the described method, it is possible to use different catalyst mixture compositions for the two catalyst layers by introducing different catalyst mixtures into the separate extrusion buildup chambers.

Nach dem Co-Extrusionsschritt wird die Dreischicht-Extrusion kontinuierlich zwischen zwei vorgefertigte Elektrodenschichten aufgebracht. Die Elektrodenschichten können kontinuierliche Streifen aus einem Material sein, das von Rollen zugeführt wird. Die Elektrodenschichten umfassen vorzugsweise flexibles Kohlenstoffgewebe oder Kohlenstoffpapier- Schichtmaterial mit einer longitudinalen Reißkraft von nicht weniger als 30 N/50 mm. Die Dreischicht-Extrusion wird somit zwischen die vorgefertigten Elektrodenschichten eingefügt und daran gebondet. Der Laminataufbau wird vorzugsweise zwischen gegenüberliegenden Kalanderwalzen durchgeleitet, welche die Schichten zusammenpressen. Das Produkt des Verfahrens ist ein kontinuierlicher Laminataufbau, der zwecks Lagerung auf eine Rolle gewickelt oder weiteren Fertigungsprozessen zugeführt werden kann, wie zum Beispiel einer Schneidmaschine, um den Laminataufbau in die gewünschte Größe und Form zu schneiden.After the co-extrusion step, the three-layer extrusion is continuously applied between two pre-fabricated electrode layers. The electrode layers may be continuous strips of material fed from rolls. The electrode layers preferably comprise flexible carbon fabric or carbon paper sheet material with a longitudinal tensile strength of not less than 30 N/50 mm. The three-layer extrusion is thus inserted between and bonded to the pre-fabricated electrode layers. The laminate structure is preferably passed between opposing calender rolls which press the layers together. The product of the process is a continuous laminate structure which can be wound onto a roll for storage or fed to further manufacturing processes such as a cutting machine to cut the laminate structure into the desired size and shape.

In einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens werden lediglich die Katalysatorschichten in-situ erzeugt, und diese dienen als laminierendes Medium. In dieser Ausführungsform bestehen die Elektrolyt- und Elektrodenschichten vorzugsweise aus vorgefertigten Schichten, die von Rollen abgegeben werden. Die Anodenkatalysator- und Kathodenkatalysatorgemische werden kontinuierlich extrudiert und zwischen die Elektrolytschicht und die jeweiligen porösen Elektrodenschichten eingebracht.In a second embodiment of the process, only the catalyst layers are generated in-situ and these serve as the laminating medium. In this embodiment, the electrolyte and electrode layers preferably consist of prefabricated layers that are dispensed from rolls. The anode catalyst and cathode catalyst mixtures are continuously extruded and introduced between the electrolyte layer and the respective porous electrode layers.

Der Laminataufbau wird vorzugsweise zwischen wenigstens einem Paar von Kalanderwalzen durchgeleitet, um die Schichten zusammenzupressen. Die Einfügung der Katalysatorschichten kann sequentiell oder simultan durchgeführt werden. Wenn die Einfügung sequentiell durchgeführt wird, kann der Laminataufbau nach Einfügen jeder Katalysatorschicht durch eine laminierende Maschine mit einem Paar von Kalanderwalzen durchgeleitet werden.The laminate structure is preferably passed between at least one pair of calender rolls to press the layers together. The insertion of the catalyst layers can be carried out sequentially or simultaneously. If the insertion is carried out sequentially, After inserting each catalyst layer, the laminate structure can be passed through a laminating machine with a pair of calender rolls.

In der zweiten Ausführungsform verwendet das Verfahren vorzugsweise einen Tandern-Extrusionsaufbau, der separate Kammern und Extrusionsdüsen für das erste und das zweite Katalysatorgemisch aufweist. Das erste und das zweite Katalysatorgemisch können in der Zusammensetzung verschieden sein und werden vorzugsweise in Granulat- oder Pastenform in den Extrusionsaufbau zugeführt.In the second embodiment, the process preferably uses a tandem extrusion assembly having separate chambers and extrusion nozzles for the first and second catalyst mixtures. The first and second catalyst mixtures may be different in composition and are preferably fed into the extrusion assembly in granular or paste form.

In einer dritten Ausführungsform dient die Elektrolytschicht als das laminierende Medium. Das Anoden- und das Kathodenkatalysatorgemisch werden zuerst an jeweiligen Anoden- und Kathodenschichten angebracht. Alternativ können die vorgefertigten Elektroden mit einer Katalysatorschicht vorbeschichtet sein. Es gibt mehrere bekannte Verfahren zum Anbringen der Katalysatorschichten an den Elektrodenschichten. Es gibt zum Beispiel bekannte Verfahren zum Sprühen, Siebdrucken oder Rollen des Katalysators auf die Elektrodenschichten.In a third embodiment, the electrolyte layer serves as the laminating medium. The anode and cathode catalyst mixture are first applied to respective anode and cathode layers. Alternatively, the prefabricated electrodes may be precoated with a catalyst layer. There are several known methods for applying the catalyst layers to the electrode layers. For example, there are known methods for spraying, screen printing or rolling the catalyst onto the electrode layers.

Die Elektrolytschicht wird extrudiert und in-situ zwischen den beschichteten Anoden- und Kathodenschichten erzeugt. Dann wird der Laminataufbau durch ein Paar von Kalanderwalzen geführt, um die Schichten zusammenzupressen und so die Laminierungsprozedur abzuschließen. Das Verfahren kann des Weiteren den Schritt der Behandlung des Laminataufbaus zum Umwandeln des Vorläuferelektrolytmaterials in eine ionische Form beinhalten, in der gleichen Weise, wie sie bezüglich der ersten Ausführungsform des Verfahrens offenbart wurde.The electrolyte layer is extruded and created in-situ between the coated anode and cathode layers. The laminate assembly is then passed through a pair of calender rolls to press the layers together, thus completing the lamination procedure. The method may further include the step of treating the laminate assembly to convert the precursor electrolyte material to an ionic form, in the same manner as disclosed with respect to the first embodiment of the method.

Es gibt mehrere Vorteile bei der Verwendung des beschriebenen Verfahrens. Ein Vorteil bei Verwendung von wenigstens einer der Schichten des Laminataufbaus als dem laminierenden Medium besteht zum Beispiel darin, dass keine Notwendigkeit für zusätzliche Schritte zum Bonden der einzelnen Schichten aneinander besteht (d. h. keine Notwendigkeit für einen Wärmepressvorgang oder das Anwenden und spätere Entfernen von Lösungsmitteln oder die Verwendung von Klebemitteln).There are several advantages to using the described method. For example, one advantage of using at least one of the layers of the laminate structure as the laminating medium is that there is no need for additional steps to bond the individual layers together (i.e. no need for a heat-pressing process or the application and later removal of solvents or the use of adhesives).

Ein Vorteil bei der Verwendung eines Extrusionsprozesses besteht darin, dass eine Dicke der Extrusionsschicht zwischen 2 um und 250 um möglich ist. Demgemäß kann eine Katalysatorschichtdicke von ≤ 10 um gewählt werden, um die Menge an verwendetem teurem Edelmetall zu reduzieren. Des Weiteren kann der Co-Extrusionsschritt so ausgelegt werden, dass jegliches signifikante Vermischen der Elektrolyt- und Katalysatorschichten des Laminataufbaus verhindert wird.An advantage of using an extrusion process is that an extrusion layer thickness between 2 µm and 250 µm is possible. Accordingly, a catalyst layer thickness of ≤ 10 µm can be chosen to reduce the amount of expensive precious metal used. Furthermore, the co-extrusion step can be designed to prevent any significant mixing of the electrolyte and catalyst layers of the laminate structure.

Noch ein weiterer Vorteil des vorliegenden Verfahrens besteht in den Produktionsgeschwindigkeiten, die erreicht werden können. Für ähnliche Prozesse sind Produktionsgeschwindigkeiten von bis zu 400 m/min erreichbar. Wenngleich die drei beschriebenen Ausführungsformen ein Extrudieren des laminierenden Mediums beinhalten, werden auch andere Verfahren zum Erzeugen von Beschichtungsschichten als Verfahren zum Erzeugen des laminierenden Mediums in-situ erwogen, wie Sprühbeschichtung, Bürstenbeschichtung und Rollen.Yet another advantage of the present process is the production speeds that can be achieved. For similar processes, production speeds of up to 400 m/min are achievable. Although the three embodiments described involve extruding the laminating medium, other methods for producing coating layers are also contemplated as methods for producing the laminating medium in-situ, such as spray coating, brush coating and rolling.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Die Vorteile, das Wesen und zusätzliche Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlicher, in denen:The advantages, nature and additional features of the invention will become more apparent from the following description taken in conjunction with the accompanying drawings in which:

Fig. 1 die Fertigung eines Laminataufbaus gemäß einer ersten Ausführungsform eines verbesserten kontinuierlichen Fertigungsverfahrens schematisch darstellt;Fig. 1 schematically illustrates the manufacture of a laminate structure according to a first embodiment of an improved continuous manufacturing process;

Fig. 2 die Fertigung eines Laminataufbaus gemäß einer zweiten Ausführungsform eines verbesserten kontinuierlichen Fertigungsverfahrens schematisch darstellt; undFig. 2 schematically illustrates the manufacture of a laminate structure according to a second embodiment of an improved continuous manufacturing process; and

Fig. 3 die Fertigung eines Laminataufbaus gemäß einer dritten Ausführungsform eines verbesserten kontinuierlichen Fertigungsverfahrens schematisch darstellt.Fig. 3 schematically illustrates the manufacture of a laminate structure according to a third embodiment of an improved continuous manufacturing process.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter AusführungsformenDetailed description of preferred embodiments

Die Erfindung bezieht sich auf verbesserte Verfahren zur Herstellung eines Laminataufbaus zur Verwendung in elektrochemischen Brennstoffzellen. Das Verfahren beinhaltet die Verwendung von wenigstens einer der Elektrolyt- oder Katalysatorschichten als ein laminierendes Medium für den Laminataufbau. Das Verfahren verwendet vorzugsweise einen Kalanderprozess kombiniert mit einem Extrusionsprozess, um einen Laminataufbau in einer kontinuierlichen Schicht zu erzeugen.The invention relates to improved methods for producing a laminate structure for use in electrochemical fuel cells. The method involves using at least one of the electrolyte or catalyst layers as a laminating medium for the laminate structure. The method preferably uses a calendering process combined with an extrusion process to produce a laminate structure in a continuous layer.

In einer ersten, in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform stellt ein Co- Extrusionsaufbau 10 eine Dreischicht-Elektrolyt-Katalysator-Extrusion bereit, die zwischen zwei Elektrodenschichten 15, 16 eingebracht wird, die von jeweiligen Rollen 15a, 16a abgezogen werden.In a first embodiment shown in Figure 1, a co-extrusion assembly 10 provides a three-layer electrolyte catalyst extrusion sandwiched between two electrode layers 15, 16 that are drawn off respective rollers 15a, 16a.

Der Co-Extrusionsaufbau 10 ist mit drei Einlässen 11, 12, 13 zum Aufnehmen von Katalysator- und Elektrolytmaterialien ausgerüstet, die in Granulat- oder Pastenform vorliegen können. In der Praxis wird der mittlere Einlass 13 vorzugsweise mit einem Vorläufer eines ionischen Elektrolyts (zum Beispiel nicht-ionomeren Polymergranulaten) beladen. Die äußeren Einlässe 11, 12 werden mit geeigneten Granulaten beladen, die den Anodenkatalysator beziehungsweise den Kathodenkatalysator beinhalten. Der Anodenkatalysator kann sich in der Zusammensetzung von dem Kathodenkatalysator unterscheiden. Anstelle von Granulaten können die äußeren Einlässe 11, 12 mit einem Pastengemisch aus Katalysator und zum Beispiel Polymerelektrolyt-Lösung beladen werden, die extrudierbar ist und als das laminierende Medium dienen kann.The co-extrusion structure 10 is equipped with three inlets 11, 12, 13 for receiving catalyst and electrolyte materials, which may be in granular or paste form. In practice, the central inlet 13 is preferably loaded with a precursor of an ionic electrolyte (for example, non-ionomeric polymer granules). The outer inlets 11, 12 are loaded with suitable granules containing the anode catalyst and the cathode catalyst, respectively. The anode catalyst may differ in composition from the cathode catalyst. Instead of granules, the outer inlets 11, 12 may be loaded with a paste mixture of catalyst and, for example, polymer electrolyte solution, which is extrudable and can serve as the laminating medium.

Im Inneren des Co-Extrusionsaufbaus 10 gibt es drei Förderschnecken (nicht gezeigt) und eine Mehrkanal-Einzelschlitzextrusionsdüse 14, aus der die co-extrudierte Dreischicht-Extrusion austritt, welche die Anoden- und Kathodenkatalysatorschicht mit einer dazwischen angeordneten Polymerelektrolytschicht beinhaltet.Inside the co-extrusion assembly 10 there are three screw conveyors (not shown) and a multi-channel single slot extrusion die 14 from which the co-extruded three-layer extrusion exits, which includes the anode and cathode catalyst layers with a polymer electrolyte layer disposed therebetween.

Die Dreischicht-Extrusion, die aus der Extrusionsdüse 14 austritt, wird zwischen zwei Elektrodenschichten 15, 16 eingebracht, während die Anoden- und Kathodenkatalysatorschicht aus dem Extrusionsprozess weiterhin weich sind. Die Elektrodenschichten 15, 16 können aus flexiblem, nicht gewobenem Kohlenstofffaserpapier, Kohlenstofffasergewebe oder irgendeinem anderen porösen, elektrisch leitfähigen Material bestehen.The three-layer extrusion exiting the extrusion nozzle 14 is introduced between two electrode layers 15, 16, while the anode and cathode catalyst layer from the extrusion process continues are soft. The electrode layers 15, 16 may consist of flexible, non-woven carbon fiber paper, carbon fiber fabric or any other porous, electrically conductive material.

Die Dreischicht-Extrusion, die zwischen den Elektrodenschichten 15, 16 eingefügt ist, wird einer Laminierstation 17 zugeführt, die wenigstens ein Paar von Kalanderwalzen beinhaltet. Die Laminierstation 17 laminiert die Dreischicht-Extrusion mit den Elektrodenschichten 15, 16, wobei eine kontinuierliche Laminataufbauschicht 18 erzeugt wird, die auf eine Lagerrolle 19 gewickelt werden kann.The three-layer extrusion sandwiched between the electrode layers 15, 16 is fed to a laminating station 17 including at least one pair of calender rolls. The laminating station 17 laminates the three-layer extrusion to the electrode layers 15, 16, producing a continuous laminate build-up layer 18 that can be wound onto a storage roll 19.

In einer zweiten Ausführungsform, die durch Fig. 2 dargestellt ist, verwendet das Verfahren einen Tandern-Extrusionsaufbau 20, der Katalysatorschichten zwischen eine vorgefertigte Membranelektrolytschicht 23 und vorgefertigte Elektrodenschichten in zwei separaten Laminierstufen einbringt.In a second embodiment, illustrated by Figure 2, the process uses a tandem extrusion setup 20 that introduces catalyst layers between a prefabricated membrane electrolyte layer 23 and prefabricated electrode layers in two separate lamination stages.

Der Tandern-Extrusionsaufbau 20 ist mit zwei Einlässen 21, 22 ausgerüstet. Jeder Einlass 21, 22 versorgt je einen Extruder 28, 29 mit Anodenkatalysator- und Kathodenkatalysatorgranulat.The tandem extrusion structure 20 is equipped with two inlets 21, 22. Each inlet 21, 22 supplies one extruder 28, 29 with anode catalyst and cathode catalyst granules.

In dieser zweiten Ausführungsform wird die Anodenkatalysatorschicht in dem Extruder 28 zwischen die Elektrodenschicht 24 und den Membranelektrolyten 23 extrudiert, der von einer Lagerrolle abgezogen wird. Die zwischen die Elektrodenschicht 24 und den Membranelektrolyten 23 eingefügte Anodenkatalysatorschicht wird einer Laminierstation 25 zugeführt und darin laminiert.In this second embodiment, the anode catalyst layer is extruded in the extruder 28 between the electrode layer 24 and the membrane electrolyte 23, which is drawn off from a storage roll. The anode catalyst layer inserted between the electrode layer 24 and the membrane electrolyte 23 is fed to a laminating station 25 and laminated therein.

Die von der Laminierstation 25 erzeugte laminierte Schicht wird zusammen mit einer zweiten Elektrodenschicht und der durch den Extruder 29 dazwischen eingefügten Kathodenkatalysatorschicht einer zweiten Laminierstation 27 zugeführt. Das Laminat, das die Laminierstation 27 verlässt, ist eine kontinuierliche Laminataufbauschicht, die gemäß der Erfindung hergestellt ist und einer Lagerrolle (nicht gezeigt) zugeführt werden kann.The laminated layer produced by the laminating station 25 is fed to a second laminating station 27 together with a second electrode layer and the cathode catalyst layer interposed by the extruder 29. The laminate leaving the laminating station 27 is a continuous laminate build-up layer made according to the invention and can be fed to a storage roll (not shown).

Jede der Laminierstationen 25 und 27 beinhaltet wenigstens ein Paar von Kalanderwalzen 26 zum Zusammenpressen der Komponentenschichten mit dem dazwischen eingefügten laminierenden Medium.Each of the laminating stations 25 and 27 includes at least one pair of calender rolls 26 for pressing the component layers together with the laminating medium interposed therebetween.

In dieser zweiten Ausführungsform dienen die zwei Katalysatorschichten als laminierendes Medium zwischen den vorgefertigten Elektrodenschichten und dem mittig angeordneten, vorgefertigten Membranelektrolyten 23.In this second embodiment, the two catalyst layers serve as a laminating medium between the prefabricated electrode layers and the centrally arranged, prefabricated membrane electrolyte 23.

Das Granulat, das in die Einlässe 21 und 22 des Extrusionsaufbaus zugeführt wird, beinhaltet vorzugsweise ein Gemisch von Katalysator- und Polymermaterialien. Wenn zum Beispiel der Katalysator Platin (Pt) ist, sollte das Granulatgemisch zwischen 1% Pt und 40% Pt beinhalten, wobei die gewünschte Katalysatorbeladung 0,1 mg/cm² Pt beträgt. Der Rest des Granulatgemisches kann Vorläufer für einen Polymerelektrolyten, elektrisch leitfähige Partikel und andere Additive beinhalten, wie porenbildende Agenzien. Bei unterschiedlichen katalytischen Materialien können in Abhängigkeit von der gewünschten Beladung andere Anteile bevorzugt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt dieser Prozentsatz bei Verwendung von Pt ungefähr 10% Pt, um eine Beladung zwischen 0,1 mg/cm² Pt bis 4,0 mg/cm² Pt für die Katalysatorschichten zu erhalten, vorzugsweise 1,0 mg/cm².The pellets fed into the inlets 21 and 22 of the extrusion assembly preferably contain a mixture of catalyst and polymer materials. For example, if the catalyst is platinum (Pt), the pellet mixture should contain between 1% Pt and 40% Pt, with the desired catalyst loading being 0.1 mg/cm2 Pt. The remainder of the pellet mixture may contain precursors for a polymer electrolyte, electrically conductive particles and other additives such as pore-forming agents. For different catalytic materials, different proportions may be preferred depending on the desired loading. In a preferred embodiment, when using Pt, this percentage is approximately 10% Pt to obtain a loading between 0.1 mg/cm² Pt to 4.0 mg/cm² Pt for the catalyst layers, preferably 1.0 mg/cm².

Der Extrusionsprozess kann eine Erwärmung und einen Schmelzprozess der Granulatmaterialien beinhalten. Daher enthalten die Granulatmaterialien, um das Verfahren zu praktizieren, bei dem der Vorläuferkatalysator und/oder die Elektrolytschicht wärmeextrudiert werden, vorzugsweise keinerlei flüchtige Komponenten, um riskante Bedingungen zu vermeiden. Für Polymerelektrolyte und ihre Vorläufer liegen geeignete Prozesstemperaturen typischerweise im Bereich zwischen 150ºC und 350ºC. Häufiger liegt der bevorzugte Prozesstemperaturbereich zur Vermeidung einer Zersetzung typischer Polymerelektrolytmaterialien zwischen etwa 180ºC und 185ºC.The extrusion process may involve heating and melting the granular materials. Therefore, to practice the process of heat extruding the precursor catalyst and/or electrolyte layer, the granular materials preferably do not contain any volatile components to avoid hazardous conditions. For polymer electrolytes and their precursors, suitable process temperatures typically range between 150ºC and 350ºC. More commonly, the preferred process temperature range to avoid degradation of typical polymer electrolyte materials is between about 180ºC and 185ºC.

Alternativ kann ein kalter Extrusionsprozess verwendet werden, bei dem das extrudierte Material in Form einer Paste oder eines Emulsionsgemisches vorliegt.Alternatively, a cold extrusion process can be used in which the extruded material is in the form of a paste or an emulsion mixture.

In einer dritten Ausführungsform, die durch Fig. 3 dargestellt ist, beinhaltet das Verfahren der Erfindung als Erstes ein Aufbringen der Katalysatorschichten auf Elektrodenschichten 33, 34. Die mit Katalysator beschichteten Elektrodenschichten 33, 34 werden dann mit der Elektrolytschicht laminiert, wobei die Elektrolytschicht in-situ erzeugt wird und als das laminierende Medium wirkt.In a third embodiment, illustrated by Fig. 3, the method of the invention involves first applying the catalyst layers to electrode layers 33, 34. The catalyst coated electrode layers 33, 34 are then laminated to the electrolyte layer, with the electrolyte layer being generated in-situ and acting as the laminating medium.

Wie durch Fig. 3 gezeigt, werden zwei vorgefertigte Elektrodenschichten 33 und 34 von jeweiligen Lagerrollen abgezogen. Die Elektrodenschichten 33 und 34 durchlaufen dann jeweilige Beschichtungs- oder Grundierstationen 30 und 31, in denen eine jeweilige Anoden- bzw. Kathodenkatalysatorschicht an den Elektrodenschichten 33 und 34 angebracht werden. Die Beschichtungsstationen 30 und 31 sind dem Fachmann bekannt und sind jeweils nur durch drei Pfeile angedeutet, um die Darstellung dieser bekannten Prozedur zu vereinfachen. Die Beschichtungsstationen 30 und 31 können zum Beispiel ein Aufbringen durch Rollen, ein Aufbringen durch Sprühen, ein Siebdruckverfahren oder andere bekannte Verfahren umfassen. Die Beschichtungsstationen 30 und 31 können außerdem eine sekundäre Trocknungsstufe beinhalten.As shown by Fig. 3, two prefabricated electrode layers 33 and 34 are pulled from respective stock rolls. The electrode layers 33 and 34 then pass through respective coating or priming stations 30 and 31 in which a respective anode or cathode catalyst layer is applied to the electrode layers 33 and 34. The coating stations 30 and 31 are known to those skilled in the art and are each indicated only by three arrows to simplify the illustration of this known procedure. The coating stations 30 and 31 may include, for example, roller application, spray application, screen printing or other known methods. The coating stations 30 and 31 may also include a secondary drying step.

Nach einer Beschichtung der Elektrodenschichten 33 und 34 mit der jeweiligen Katalysatorschicht wird ein Elektrolytmaterial oder ein Vorläufermaterial für den Elektrolyten zwischen die mit Katalysator beschichteten Elektrodenschichten 33 und 34 extrudiert. Der Laminataufbau wird dann einer Laminierstation 35 zugeführt, in welcher der Aufbau zusammenlaminiert wird. Die Laminierstation 35 beinhaltet wenigstens ein Paar von Kalanderwalzen, welche die Komponentenschichten mit dem dazwischen eingefügten Laminierungsmedium zusammenpressen. In dieser Ausführungsform wirkt die Elektrolytschicht 32, typischerweise ein Elektrolytvorläufermaterial, als das laminierende Medium. Der Laminataufbau kann dann einer Lagerrolle 37 oder weiteren Fertigungsprozessen zugeführt werden.After coating the electrode layers 33 and 34 with the respective catalyst layer, an electrolyte material or a precursor material for the electrolyte is extruded between the catalyst coated electrode layers 33 and 34. The laminate assembly is then fed to a laminating station 35 where the assembly is laminated together. The laminating station 35 includes at least one pair of calender rolls which press the component layers together with the laminating medium interposed therebetween. In this embodiment, the electrolyte layer 32, typically an electrolyte precursor material, acts as the laminating medium. The laminate assembly can then be fed to a storage roll 37 or further manufacturing processes.

In jeder der Ausführungsformen des Verfahrens kann einer der weiteren Fertigungsprozesse den Schritt der Umwandlung eines nicht-ionischen Elektrolytvorläufermaterials in eine ionische Elektrolytform unter Verwendung bekannter Verfahren beinhalten, wie Hydrolyse.In any of the embodiments of the method, one of the further manufacturing processes may include the step of converting a non-ionic electrolyte precursor material into an ionic electrolyte form using known methods, such as hydrolysis.

Des Weiteren ist es in einigen Fällen wünschenswert, den Anodenkatalysator mit anderer Zusammensetzung herzustellen als den Kathodenkatalysator, um die Effizienz des jeweiligen Katalysators zu verbessern, zum Beispiel für eine Verwendung mit verschiedenen Brennstoffen oder Oxidationsmitteln in einer Brennstoffzelle.Furthermore, in some cases it is desirable to produce the anode catalyst with a different composition than the cathode catalyst in order to improve the efficiency of the respective catalyst, for example for use with different fuels or oxidants in a fuel cell.

Da die Elektrodenschichten von Rollen abgegeben und auf diesen gelagert und durch den Laminierungsprozess gespannt gehalten werden, ist es in bevorzugten Ausführungsformen wünschenswert, dass die Elektrodenschichten aus flexiblem, reißfestem Kohlenstoffmaterial gebildet werden, wie Kohlenstofffaserpapier oder -gewebe. Die gewünschte Reißkraft für das Elektrodenschichtmaterial ist von der Spannung und der Wickelgeschwindigkeit der Laminierungsmaschine abhängig. Für Laminierungsmaschinen, die mit Produktionsgeschwindigkeiten von bis zu 400 m/min arbeiten, beträgt die longitudinale Reißkraft von flexiblem Kohlenstofffaserpapier oder -gewebe, das als Elektrodenschichten verwendet wird, vorzugsweise nicht weniger als 30 N/50 mm.Since the electrode layers are dispensed from and stored on rolls and kept tensioned by the lamination process, in preferred embodiments it is desirable that the electrode layers are formed from flexible, tear-resistant carbon material, such as carbon fiber paper or fabric. The desired tear force for the electrode layer material depends on the tension and the winding speed of the lamination machine. For lamination machines operating at production speeds of up to 400 m/min, the longitudinal tear force of flexible carbon fiber paper or fabric used as electrode layers is preferably not less than 30 N/50 mm.

Für den Fachmann versteht es sich, dass der Ausdruck "kontinuierlich" in Bezug auf das Verfahren ein Verfahren, wie z. B. einen Prozess von Rolle zu Rolle beschreibt, der eine kontinuierliche Schicht erzeugt, die auf eine Rolle gewickelt werden kann. Der Laminataufbau wird später in die gewünschte Form und Größe zur Verwendung in elektrochemischen Zellen geschnitten. Selbstverständlich ist es möglicherweise notwendig, wenn Materialien für einige der Schichten vorgefertigt sind und von Rollen zugeführt werden oder wenn der fertiggestellte Laminataufbau auf eine Rolle gewickelt wird, ein derartiges kontinuierliches Verfahren periodisch zu unterbrechen, um Rollen umzuschalten.It will be understood by those skilled in the art that the term "continuous" in reference to the process describes a process, such as a roll-to-roll process, that produces a continuous layer that can be wound onto a roll. The laminate structure is later cut into the desired shape and size for use in electrochemical cells. Of course, when materials for some of the layers are prefabricated and fed from rolls, or when the finished laminate structure is wound onto a roll, it may be necessary to interrupt such a continuous process periodically to switch rolls.

Die in dem Laminierungsschritt verwendeten Kalanderwalzen können außerdem mit Mitteln zum Bilden von Öffnungen in dem Laminataufbau versehen sein. Eine der Kalanderwalzen kann zum Beispiel Schneidmesser zur Bildung einer Öffnung aufweisen, um einen internen Verteiler und/oder eine interne Zugstange in einem Brennstoffzellenstapel aufzunehmen.The calender rolls used in the lamination step may also be provided with means for forming apertures in the laminate structure. For example, one of the calender rolls may have cutting blades for forming an aperture to receive an internal manifold and/or an internal pull rod in a fuel cell stack.

Claims (18)

1. Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung eines kontinuierlichen Mehrschicht-Laminataufbaus für eine elektrochemische Zelle, wobei der Laminataufbau beinhaltet:1. A continuous process for producing a continuous multilayer laminate structure for an electrochemical cell, the laminate structure comprising: eine erste und eine zweite vorgefertigte Elektrodensubstratschicht;a first and a second prefabricated electrode substrate layer; eine Elektrolytschicht, die zwischen die erste und die zweite Elektrodensubstratschicht eingefügt ist, wobei die Elektrolytschicht einen Elektrolyt oder einen Elektrolytvorläufer beinhaltet;an electrolyte layer interposed between the first and second electrode substrate layers, the electrolyte layer including an electrolyte or an electrolyte precursor; eine erste Katalysatorschicht, die zwischen die erste Elektrodensubstratschicht und eine erste Hauptoberfläche der Elektrolytschicht eingefügt ist; unda first catalyst layer interposed between the first electrode substrate layer and a first main surface of the electrolyte layer; and eine zweite Katalysatorschicht, die zwischen die zweite Elektrodensubstratschicht und eine zweite Hauptoberfläche der Elektrolytschicht eingefügt ist;a second catalyst layer interposed between the second electrode substrate layer and a second major surface of the electrolyte layer; wobei das Verfahren beinhaltet:the method comprising: Ausbilden von wenigstens einer der Elektrolytschicht und der Katalysatorschichten als Extrusionsschicht durch Extrudieren eines fließfähigen Materials und Laminieren von zwei vorgefertigten Schichten mit der extrudierten Schicht dazwischen als einem laminierenden Medium, wobei die vorgefertigten Schichten aus vorgefertigten der Elektrodensubstratschichten und der Elektrolytschicht ausgewählt sind.Forming at least one of the electrolyte layer and the catalyst layers as an extrusion layer by extruding a flowable material and laminating two preformed layers with the extruded layer therebetween as a laminating medium, wherein the preformed layers are selected from preformed ones of the electrode substrate layers and the electrolyte layer. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Katalysatorschicht und die zweite Katalysatorschicht unterschiedliche Katalysatorzusammensetzungen beinhalten.2. The method of claim 1, wherein the first catalyst layer and the second catalyst layer contain different catalyst compositions. 3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite vorgefertigte Elektrodensubstratschicht ein flexibles Kohlenstoffgewebe oder Kohlepapier beinhalten.3. The method of claim 1, wherein the first and second prefabricated electrode substrate layers comprise a flexible carbon cloth or carbon paper. 4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Elektrodensubstratschichten eine longitudinale Bruchbelastung von nicht weniger als 30 N/50 mm aufweisen.4. The method according to claim 1, wherein the electrode substrate layers have a longitudinal fracture load of not less than 30 N/50 mm. 5. Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren den Schritt des Aufwickelns des laminierten Aufbaus auf eine Rolle beinhaltet.5. The method of claim 1, further comprising the step of winding the laminated structure onto a roll. 6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bildens von wenigstens einer der Elektrolytschicht und der Katalysatorschichten ein Co-Extrudieren einer Dreischicht- Extrusion beinhaltet, welche die erste und die zweite Katalysatorschicht und die dazwischen eingefügte Elektrolytschicht beinhaltet, wobei die Dreischicht-Extrusion das laminierende Medium zwischen der vorgefertigten ersten und zweiten Elektrodensubstratschicht ist.6. The method of claim 1, wherein the step of forming at least one of the electrolyte layer and the catalyst layers includes co-extruding a three-layer extrusion including the first and second catalyst layers and the electrolyte layer interposed therebetween, the three-layer extrusion being the laminating medium between the pre-formed first and second electrode substrate layers. 7. Verfahren nach Anspruch 6, das des Weiteren ein Passieren des Mehrschicht-Laminataufbaus durch gegenüberliegende Kalanderwalzen beinhaltet, welche die Schichten zusammenpressen.7. The method of claim 6, further comprising passing the multilayer laminate structure through opposing calender rolls which compress the layers together. 8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei wenigstens eine der ersten Katalysatorschicht, der Elektrolytschicht und der zweiten Katalysatorschicht aus einem Granulat- oder Pastenmaterial gebildet ist, das in einen Co-Extrusionsaufbau geleitet wird.8. The method of claim 6, wherein at least one of the first catalyst layer, the electrolyte layer and the second catalyst layer is formed from a granular or paste material that is fed into a co-extrusion assembly. 9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Co-Extrusionsaufbau eine Mehrkanal-Einzelschlitzextrusionsdüse zur Erzeugung der Dreischichtextrusion beinhaltet.9. The method of claim 8, wherein the co-extrusion assembly includes a multi-channel single slot extrusion die for producing the three-layer extrusion. 10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei jede der ersten Katalysatorschicht, der Elektrolytschicht und der zweiten Katalysatorschicht aus jeweiligen granularen Materialien hergestellt werden, die jeweils in zugehörige Einlässe des Co-Extrusionsaufbaus geleitet werden.10. The method of claim 8, wherein each of the first catalyst layer, the electrolyte layer and the second catalyst layer are made from respective granular materials which are each fed into corresponding inlets of the co-extrusion structure. 11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Elektrolytschicht vorgefertigt wird, die erste Katalysatorschicht zwischen eine erste Hauptoberfläche der vorgefertigten Elektrolytschicht und die erste Elektrodensubstratschicht extrudiert wird und die zweite Katalysatorschicht zwischen eine zweite Hauptoberfläche der vorgefertigten Elektrolytschicht und die zweite Elektrodensubstratschicht extrudiert wird.11. The method of claim 1, wherein the electrolyte layer is prefabricated, the first catalyst layer is extruded between a first major surface of the prefabricated electrolyte layer and the first electrode substrate layer, and the second catalyst layer is extruded between a second major surface of the prefabricated electrolyte layer and the second electrode substrate layer. 12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Verfahren des Weiteren die Schritte umfasst:12. The method of claim 11, wherein the method further comprises the steps of: Extrudieren eines ersten Katalysatorgemisches, um eine erste Katalysatorschicht zwischen der ersten Elektrodensubstratschicht und der ersten Hauptoberfläche der Elektrolytschicht zu bilden;Extruding a first catalyst mixture to form a first catalyst layer between the first electrode substrate layer and the first major surface of the electrolyte layer; Durchleiten der ersten Elektrodensubstratschicht, der ersten Katalysatorschicht und der Elektrolytschicht zwischen einem Paar von Kalanderwalzen;passing the first electrode substrate layer, the first catalyst layer and the electrolyte layer between a pair of calender rolls; Extrudieren eines zweiten Katalysatorgemisches, um eine zweite Katalysatorschicht zwischen der ersten Elektrodensubstratschicht und der ersten Hauptoberfläche der Elektrolytschicht zu bilden; undExtruding a second catalyst mixture to form a second catalyst layer between the first electrode substrate layer and the first major surface of the electrolyte layer; and Durchleiten der zweiten Elektrodensubstratschicht, der zweiten Katalysatorschicht und der Elektrolytschicht zwischen einem Paar von Kalanderwalzen.Passing the second electrode substrate layer, the second catalyst layer and the electrolyte layer between a pair of calender rolls. 13. Verfahren nach Anspruch 11, das des Weiteren den Schritt des Einbringens des ersten Katalysatorgemisches und/oder des zweiten Katalysatorgemisches in einen Extrusionsaufbau als granulares Material beinhaltet.13. The method of claim 11, further comprising the step of introducing the first catalyst mixture and/or the second catalyst mixture into an extrusion assembly as a granular material. 14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das erste Katalysatorgemisch und das zweite Katalysatorgemisch als Granulat in separate Einlässe eines Tandern-Extrusionsaufbaus geleitet werden.14. The method of claim 11, wherein the first catalyst mixture and the second catalyst mixture are fed as granules into separate inlets of a tandem extrusion setup. 15. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bildens von wenigstens einer der Elektrolytschicht und der Katalysatorschichten ein Extrudieren der Elektrolytschicht beinhaltet und die Elektrolytschicht das laminierende Medium zwischen unmittelbar benachbarten vorgefertigten Schichten des Laminataufbaus ist.15. The method of claim 1, wherein the step of forming at least one of the electrolyte layer and the catalyst layers includes extruding the electrolyte layer, and the electrolyte layer is the laminating medium between immediately adjacent prefabricated layers of the laminate structure. 16. Verfahren nach Anspruch 15, das des Weiteren die kontinuierlichen Schritte umfasst:16. The method of claim 15, further comprising the continuous steps: Beschichten einer ersten Hauptoberfläche der ersten Elektrodensubstratschicht mit einem ersten Katalysatorgemisch, um die erste Katalysatorschicht zu bilden;coating a first major surface of the first electrode substrate layer with a first catalyst mixture to form the first catalyst layer; Beschichten einer ersten Hauptoberfläche der zweiten Elektrodensubstratschicht mit einem zweiten Katalysatorgemisch, um die zweite Katalysatorschicht zu bilden; undcoating a first major surface of the second electrode substrate layer with a second catalyst mixture to form the second catalyst layer; and nachfolgendes Extrudieren der Elektrolytschicht zwischen die mit Katalysator beschichteten Hauptoberflächen der ersten und der zweiten Elektrodensubstratschicht.subsequently extruding the electrolyte layer between the catalyst-coated main surfaces of the first and second electrode substrate layers. 17. Verfahren nach Anspruch 6 oder 16, das des Weiteren den Schritt des Konvertierens eines Elektrolytvorläufers in einen ionischen Elektrolyt beinhaltet, nachdem die Schichten des laminierten Aufbaus zusammengebondet wurden.17. The method of claim 6 or 16, further comprising the step of converting an electrolyte precursor to an ionic electrolyte after the layers of the laminated structure have been bonded together. 18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der ionische Elektrolyt aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus auf Perfluorsulfonsäure basierenden Materialien, auf Polyetheretherketonketon basierenden ionenleitenden Polymeren und auf sulfoniertem Polytrifluorstyrol basierenden ionenleitenden Polymeren besteht.18. The method of claim 17, wherein the ionic electrolyte is selected from the group consisting of perfluorosulfonic acid based materials, polyetheretherketoneketone based ion-conducting polymers, and sulfonated polytrifluorostyrene based ion-conducting polymers.
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