NL1014402C1 - Method for Manufacturing Reinforced Polymer Membranes Electrolyte Fuel Cells. - Google Patents

Method for Manufacturing Reinforced Polymer Membranes Electrolyte Fuel Cells. Download PDF

Info

Publication number
NL1014402C1
NL1014402C1 NL1014402A NL1014402A NL1014402C1 NL 1014402 C1 NL1014402 C1 NL 1014402C1 NL 1014402 A NL1014402 A NL 1014402A NL 1014402 A NL1014402 A NL 1014402A NL 1014402 C1 NL1014402 C1 NL 1014402C1
Authority
NL
Netherlands
Prior art keywords
porous
product according
mea
proton
impregnation
Prior art date
Application number
NL1014402A
Other languages
Dutch (nl)
Inventor
Erik Middelman
Original Assignee
Nedstack Holding B V
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nedstack Holding B V filed Critical Nedstack Holding B V
Priority to NL1014402A priority Critical patent/NL1014402C1/en
Priority to PCT/NL2001/000136 priority patent/WO2001061774A1/en
Priority to EP01910242A priority patent/EP1301955A1/en
Priority to AU37820/01A priority patent/AU3782001A/en
Application granted granted Critical
Publication of NL1014402C1 publication Critical patent/NL1014402C1/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H01M50/426—Fluorocarbon polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/20—Manufacture of shaped structures of ion-exchange resins
    • C08J5/22—Films, membranes or diaphragms
    • C08J5/2206—Films, membranes or diaphragms based on organic and/or inorganic macromolecular compounds
    • C08J5/2275—Heterogeneous membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H01M50/417—Polyolefins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0289—Means for holding the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1041—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
    • H01M8/1044—Mixtures of polymers, of which at least one is ionically conductive
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1058—Polymeric electrolyte materials characterised by a porous support having no ion-conducting properties
    • H01M8/106—Polymeric electrolyte materials characterised by a porous support having no ion-conducting properties characterised by the chemical composition of the porous support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1058—Polymeric electrolyte materials characterised by a porous support having no ion-conducting properties
    • H01M8/1062—Polymeric electrolyte materials characterised by a porous support having no ion-conducting properties characterised by the physical properties of the porous support, e.g. its porosity or thickness
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2323/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Derivatives of such polymers
    • C08J2323/02—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Derivatives of such polymers not modified by chemical after treatment
    • C08J2323/04—Homopolymers or copolymers of ethene
    • C08J2323/06—Polyethene
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2327/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers
    • C08J2327/02—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
    • C08J2327/12—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment containing fluorine atoms
    • C08J2327/16—Homopolymers or copolymers of vinylidene fluoride
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0082—Organic polymers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

The invention is a reinforced ion exchange membrane for application in electrochemical cells. More specifically a membrane is provided having an ion conducting section or multiple ion conducting sections and a section, or sections that are non-ion conducting. The method according to the invention has several advantages over the existing technologies. Expensive proton conducting material is only used in the active areas, and not used for sealing the cell thus reducing material costs. Compared to non-reinforced membranes or macro reinforced membranes only a small amount of the expensive proton conductor has to be used.

Description

Methode voor het vervaardigen van versterkte membranen voor polymeer ElektrolytMethod of Manufacturing Reinforced Membranes for Polymer Electrolyte

BrandstofcellenFuel cells

De uitvinding heeft betrekking op een methode voor de vervaardiging van protonen 5 geleidende membranen voor polymeer elektrolyt brandstofcellen gebruikmakend van een poreuze drager welke slechts lokaal gevuld is met protonen geleidend polymeer.The invention relates to a method of manufacturing proton conducting membranes for polymer electrolyte fuel cells using a porous support which is only locally filled with proton conducting polymer.

Brandstofcellen zijn reeds bekend sinds de ontdekking door Sir. William Grove aan het einde van de 19e eeuw. Vele soorten brandstofcellen zijn in de tussentijd 10 ontwikkeld. Een van deze brandstofcel soorten is de polymeer elektrolyt brandstofcel. De polymeer elektrolyt brandstofcel wordt gekenmerkt door een protonen geleidend membraan waarop aan weerszijden een katalysator bevattende elektrode is aangebracht. Veelal is dit protonen geleidend membraan een folie van een geschikt polymeer. Degelijke brandstofcellen hebben echter het nadeel dat het protonen 15 geleidend polymeer enige mechanische sterkte dient te hebben. Verhogen van de protonen geleidbaarheid, leidt meestal echter tot verlaging van de mechanische sterkte, waardoor de verhoging van de protonen geleidbaarheid praktisch begrensd wordt. Een andere mogelijkheid om de protonen geleiding te verhogen is verlaging van de membraan dikte. Ook hiervoor geld dat dit begrenst wordt door de benodigde 20 mechanische sterkte.Fuel cells have been known since Sir's discovery. William Grove at the end of the 19th century. Many types of fuel cells have been developed in the meantime. One of these fuel cell types is the polymer electrolyte fuel cell. The polymer electrolyte fuel cell is characterized by a proton conducting membrane on which a catalyst-containing electrode is arranged on both sides. Usually this proton conducting membrane is a foil of a suitable polymer. However, solid fuel cells have the drawback that the proton conducting polymer must have some mechanical strength. Increasing the proton conductivity, however, usually results in a decrease in the mechanical strength, so that the increase in the proton conductivity is practically limited. Another possibility to increase the proton conduction is to decrease the membrane thickness. Also for this applies that this is limited by the required mechanical strength.

Deze begrenzingen kunnen doorbroken worden door gebruik te maken van een versterkt membraan. Hierbij worden de benodigde mechanische eigenschappen geleverd door een niet protonen geleidend versterkingsmateriaal dat meestal geïmpregneerd is met een protonen geleidend polymeer.These limitations can be broken by using a reinforced membrane. The required mechanical properties are provided by a non-proton conducting reinforcing material that is usually impregnated with a proton conducting polymer.

25 Een dergelijk versterkt protonen geleidend materiaal is bekend uit USSuch an amplified proton conducting material is known from US

5,547,551. Hierbij wordt gemaakt van een poreuze geëxpandeerde PTFE welke geïmpregneerd wordt met een protonen geleidend polymeer zoals Nation. Deze methode levert een dun membraan met goede protonengeleiding. Een nadeel is echter de matige mechanische sterkte van PTFE en de hoge kosten van een 30 dergelijk versterkingspolymeer5,547,551. It is made of a porous expanded PTFE which is impregnated with a proton conducting polymer such as Nation. This method produces a thin membrane with good proton conduction. A drawback, however, is the moderate mechanical strength of PTFE and the high cost of such a reinforcement polymer

Uit onder andere US 5716437 (de Bruyn et al) is bekend dat ook poreus polyethyleen gebruikt kan worden als versterkingsmateriaal in een protonen geleidend membraan. De beschreven werkwijze heeft als voordeel ten opzichte van uit US 5,547,551 dat een goedkoop versterkingspolymeer gebruikt wordt. Een ander 35 voordeel van US 571643 is de betere mechanische eigenschappen van de gebruikte verstrekte PE ten opzichte van verstrekt PTFE. Een nadeel van de in US 5716437 beschreven methode is dat het gehele membraan geïmpregneerd wordt. Hierdoor 2 wordt ook kostbaar protonen geleidend polymeer gebruikt in de passieve gebieden van de cel, waar geen effectieve protonen geleiding kan plaats vinden. Tenslotte bied US 5716437 geen oplossing voor het probleem van de cel afdichting, en is het nodig om rond de cel een pakking ring te gebruiken zoals een O-ring. Een dergelijke 5 afdichting is kostbaar en bewerkelijk tijdens de assemblage.From US 5716437 (de Bruyn et al), among others, it is known that porous polyethylene can also be used as a reinforcing material in a proton-conducting membrane. The described method has the advantage over US 5,547,551 that an inexpensive reinforcement polymer is used. Another advantage of US 571643 is the better mechanical properties of the stretched PE used over stretched PTFE. A drawback of the method described in US 5716437 is that the entire membrane is impregnated. Because of this, expensive proton conducting polymer is also used in the passive regions of the cell, where no effective proton conduction can take place. Finally, US 5716437 does not solve the cell sealing problem, and it is necessary to use a packing ring such as an O-ring around the cell. Such a seal is expensive and laborious during assembly.

Om van de MEA een werkende brandstofcel te maken zijn eetplaten nodig die zorg dragen voor aanvoer van brandstof en lucht, en afvoer van water en lucht met een verlaagd zuurstofgehalte. Tevens dienen deze platen als elektrisch contact voor de beide elektrodes, en worden in deze platen voorzieningen aangebracht, zoals een 10 O-ring groef ten behoeve van de gasafdichting. Veelal zijn deze celplaten vervaardigd uit synthetisch grafiet of metaal. Dergelijke celplaten zijn elektrisch geleidend over het gehele celplaat- oppervlak, dus ook buiten het actieve gebied. Hiervoor wordt slechts in een beperkt deel van de celplaten gebruik gemaakt van de elektrische geleidbaarheid.In order to make the MEA a working fuel cell, dining plates are needed that ensure the supply of fuel and air and the removal of water and air with a reduced oxygen content. These plates also serve as electrical contact for the two electrodes, and provisions are provided in these plates, such as an O-ring groove for the gas sealing. These cell plates are often made of synthetic graphite or metal. Such cell plates are electrically conductive over the entire cell plate surface, including outside the active area. The electrical conductivity is only used in a limited part of the cell plates.

1515

De uitvinding beoogt een methode te verschaffen waarin de bovengenoemde nadelen zijn geëlimineerd. Volgens de methode wordt een poreuze folie met een dikte tussen 1 en 100 micron plaatseiijk non-poreus gemaakt. Dit wordt gedaan door lokaal, bij verhoogde temperatuur het materiaal onder druk te brengen waardoor 20 lokaal verdichting optreedt. Een andere methode volgens de vinding om lokaal de porositeit te elimineren, of althans aanzienlijk te verminderen is het lokaal impregneren van de poreuze folie met een niet protonen geleidend polymeer. Weer een andere methode volgens de vinding is het plaatselijk samenpersen van het poreuze materiaal en een niet poreuze folie. Hierbij zijn de poreuze folie en de niet 25 poreuze folie bij voorkeur gemaakt uit hetzelfde polymeer, of van dezelfde groep van polymeren. Het deel van de poreuze folie dat direct buiten het actieve gebied van de brandstofcel komt te liggen wordt op deze wijze verdicht. Vervolgens wordt het niet verdichte deel van de poreuze folie in contact gebracht met een oplossing van een protonen geleidend polymeer. De hoeveelheid polymeer oplossing Q die wordt 30 aangeboden is bij voorkeur gelijk, 0,6 tot 1x; Q=A*d*p/cThe object of the invention is to provide a method in which the above-mentioned drawbacks are eliminated. According to the method, a porous film with a thickness between 1 and 100 microns is locally made non-porous. This is done by locally pressurizing the material at elevated temperature, whereby local compaction occurs. Another method according to the invention to locally eliminate, or at least significantly reduce the porosity, is to locally impregnate the porous film with a non-proton conducting polymer. Yet another method according to the invention is local compression of the porous material and a non-porous film. Here, the porous film and the non-porous film are preferably made from the same polymer, or from the same group of polymers. The part of the porous film that lies directly outside the active area of the fuel cell is compacted in this way. Then, the non-compacted part of the porous film is contacted with a solution of a proton conducting polymer. The amount of polymer solution Q presented is preferably equal, 0.6 to 1x; Q = A * d * p / c

Hierbij is hetA oppervlak van het niet verdichte deel van de poreuze folie in vierkante 35 meter, is d de dikte van de poreuze folie (in m), is p de porositeit, en is c de polymeer concentratie in de oplossing op volume basis. Voorafgaande aan de impregnate wordt de in de poriën aanwezige lucht verwijderd en vervangen door een 3 sneldiffuncterend gas zoals Helium, een goed oplosbaar gas zoals C02 of door een damp van een geschikt oplosmiddel. De impregnatie vindt plaats bij een temperatuur die lager is dan het kookpunt van het n de polymeer oplossing gebruikte oplosmiddel. Vervolgens wordt het oplosmiddel verwijderd door middel van droging in lucht of een 5 ander gas, of door middel van droging in een non-solvent. Na droging ondergaat het materiaal een temperatuur behandeling bij een temperatuur net onder de glasovergangstemperatuur van het protonen geleidend polymeer, en net onder de smelt temperatuur van de poreuze drager. Volgens de methode kan eventueel na geheel of gedeeltelijk drogen een druk aangebracht worden op het geïmpregneerde 10 membraan. Op het met protonen geleidend polymeer geïmpregneerde deel van de poreuze folie wordt aan weerszijden een poreuze elektrode aangebracht welke voorzien zijn van een geschikte katalysator zoals Platina en/of Ruthenium. Aldus is een zogenaamde MEA, een "Membrane Electrode Assembly" ontstaan. Ook is het mogelijk om direct op het geïmpregneerde membraan de katalysator houdende inkt 15 aan te brengen. Deze MEA heeft als voordeel dat slechts een zeer kleine hoeveelheid kostbaar protonen geleidend polymeer nodig is doordat het protonen geleidbare oppervlak beperkt wordt tot het actieve gebied van de brandstofcel en de dikte van het membraan klein kan zijn ten opzichte van een onversterkt membraan door de verbeterde mechanische eigenschappen. Een ander voordeel van de MEA 20 volgens de uitvinding is dat het ionen geleidend gebied volledig omsloten is met een niet ionen geleidend gebied. Hiermee wordt vervuiling met vreemde ionen van buiten de brandstofcel voorkomen.Here, the area of the non-compacted part of the porous film is 35 square meters, d is the thickness of the porous film (in m), p is the porosity, and c is the polymer concentration in the solution on a volume basis. Before impregnation, the air present in the pores is removed and replaced with a 3-quick diffusing gas such as Helium, a readily soluble gas such as CO2 or by a vapor of a suitable solvent. The impregnation takes place at a temperature lower than the boiling point of the solvent used in the polymer solution. The solvent is then removed by drying in air or another gas, or by drying in a non-solvent. After drying, the material is subjected to a temperature treatment at a temperature just below the glass transition temperature of the proton conducting polymer, and just below the melting temperature of the porous support. According to the method, a pressure can optionally be applied to the impregnated membrane after complete or partial drying. On the proton-conducting polymer impregnated part of the porous film, a porous electrode is provided on both sides, which are provided with a suitable catalyst such as Platinum and / or Ruthenium. Thus a so-called MEA, a "Membrane Electrode Assembly" has been created. It is also possible to apply the catalyst-containing ink directly to the impregnated membrane. This MEA has the advantage that only a very small amount of expensive proton conducting polymer is required because the proton conducting surface is limited to the active area of the fuel cell and the thickness of the membrane can be small compared to an unreinforced membrane due to the improved mechanical properties. Another advantage of the MEA 20 according to the invention is that the ion-conducting region is completely enclosed with a non-ion-conducting region. This prevents contamination with foreign ions from outside the fuel cell.

Volgens de uitvinding zijn de randen rond het actieve gebied van de brandstofcel 25 non-poreus gemaakt. Het materiaal van de randen rond het actieve gebied is zodanig gekozen dat het gelast kan worden aan de randen van de cel platen. Bij voorkeur is voor de MEA-rand en de eetplaat rand hetzelfde polymeer gebruikt. De MEA volgens de uitvinding kan gelast worden tussen 2 eetplaten, of kan aan 1 zijde van een bipolar plate gelast worden, waarbij bij voorkeur de anode zijde gelast wordt. 30According to the invention, the edges around the active area of the fuel cell 25 are rendered non-porous. The material of the edges around the active area is chosen so that it can be welded to the edges of the cell plates. Preferably the same polymer is used for the MEA rim and the dining plate rim. The MEA according to the invention can be welded between 2 dining plates, or it can be welded on 1 side of a bipolar plate, preferably the anode side being welded. 30

Het poreuze materiaal kan volgens de uitvinding, bij voorkeur voorafgaande aan de impregnatie een geschikt vulmiddel bevatten. Onder geschikte vulmiddelen wordt verstaan vaste stoffen zoals silica, met deeltjes kleiner dan 10 micron, bij voorkeur kleiner dan 1 micron, die de geleiding van protonen en/of het transport van water 35 door het geïmpregneerde membraan bevorderen.According to the invention, the porous material may preferably contain a suitable filler prior to impregnation. Suitable fillers are understood to be solids such as silica, with particles less than 10 microns, preferably less than 1 micron, which promote the conduction of protons and / or the transport of water through the impregnated membrane.

44

VoorbeeldExample

Een poreuze polyethyleen folie, Solupor type 8P07A van DSM Solutech bv. wordt gespannen op een raam van 100x100mm buitenmaats, en 50x50mm binnenmaats tussen 2 HDPE folies met afmetingen gelijk aan die van het raam. Op de folies wordt 5 een tweede raam geplaatst met afmetingen die gelijk zijn aan het eerste raam. Beide RVS-ramen zijn voorbehandeld met een oplossing van 0,5% amino-siloxaan in di-butyl ether. Bij een temperatuur van rond de 125°C worden de poreuze folie en de niet poreuze folie samengeperst waardoor de een rand (2) ontstaat van niet poreus PE. In figuur 1 is dit tussen product weergegeven. Vervolgens word 1 cc van een 10 oplossing van 5% Nation 1100 (Solution Technology) op het poreuze PE gegoten (1) en gedroogd in een oven bij een temperatuur traject oplopend tot 125°C. het aldus verkregen versterkte membraan word nabehandeld in achtereenvolgens Demi-water, 3 procentige waterstof peroxide, zwavelzuur 1M en uiteindelijk weer demi-water.A porous polyethylene film, Solupor type 8P07A from DSM Solutech, for example, is stretched on a window of 100x100mm outer size, and 50x50mm inner size between 2 HDPE films with dimensions equal to those of the window. A second window is placed on the foils with dimensions equal to the first window. Both stainless steel windows are pretreated with a solution of 0.5% amino-siloxane in di-butyl ether. At a temperature of around 125 ° C, the porous film and the non-porous film are pressed together, creating an edge (2) of non-porous PE. In figure 1 this is shown between product. Then 1 cc of a solution of 5% Nation 1100 (Solution Technology) is poured onto the porous PE (1) and dried in an oven at a temperature range rising to 125 ° C. the reinforced membrane thus obtained is after-treated in successively Demi water, 3 percent hydrogen peroxide, sulfuric acid 1M and finally demi water.

Op beide zijden van het met proton geleidend polymeer geïmpregneerde membraan 15 wordt een inkt aangebracht bestaande uit 52% 1-propanol, 8% katalysator op kool drager en 40% van een 5 procentige oplossing van Nafion 1100 (Solution Technologies). De inkt wordt gedroogd bij 60°C waarna aan beide zijden een koolstofvezelpapier van 50x50 mm wordt geperst.On both sides of the proton conductive polymer impregnated membrane 15, an ink is applied consisting of 52% 1-propanol, 8% catalyst on carbon support and 40% of a 5 percent solution of Nafion 1100 (Solution Technologies). The ink is dried at 60 ° C, after which a carbon fiber paper of 50x50 mm is pressed on both sides.

De aldus verkregen MEA wordt geplaatst tussen 2 eetplaten (3). zie figuur 2 20 Vervolgens worden de randen van de celplaten en de rand van de MEA ultrasoon op elkaar gelast, waarbij de MEA-randen en de celplaatranden beiden bestaan uit PE.The MEA thus obtained is placed between 2 plates (3). see figure 2 20 Next, the edges of the cell plates and the edge of the MEA are ultrasonically welded together, the MEA edges and the cell plate edges both consisting of PE.

Voorbeeld 2Example 2

Een rol poreuze polyethyleen folie, Solupor type 8P07A van DSM Solutech bv. wordt 25 afgewikkeld met een snelheid van 20 meter per minuut. Middels een tot 140°C verwarmd stalen walsduo wordt de Solupor lokaal verdicht, terwijl het niet te verdichten deel van de Solupor niet in contact komt met de hete wals.A roll of porous polyethylene film, Solupor type 8P07A from DSM Solutech bv. Is unwound at a speed of 20 meters per minute. The Solupor is locally compacted by means of a steel roller duo heated to 140 ° C, while the non-compacted part of the Solupor does not come into contact with the hot roller.

De Solupor folie wordt nu geleid door een bad met propanol waarna de Solupor gedroogd wordt in propanol-damp. Na de dampbehandeling worden de nog poreuze 30 vlakken van de voorverwarmde Solupor gecoat met een warme (80°C) Nafion 1100 oplossing van 10% in propanol, zodat aan weerszijden van de Solupor een laag van 200 pm wordt aangebracht. Door middel van een combinatie van stralingsverwarming en convectie wordt het oplosmiddel verwijderd. Tenslotte wordt middels een tweede kaianderstap het geïmpregneerde deel van de Solupor verdicht, 35 en wordt de folie opgewikkeld.The Solupor foil is now passed through a bath of propanol, after which the Solupor is dried in propanol vapor. After the vapor treatment, the still porous surfaces of the preheated Solupor are coated with a warm (80 ° C) Nafion 1100 solution of 10% in propanol, so that a layer of 200 µm is applied on both sides of the Solupor. The solvent is removed by a combination of radiant heating and convection. Finally, the impregnated part of the Solupor is compacted by means of a second coring step, and the foil is wound up.

Claims (11)

1. Een brandstofcel bevattende een MEA, bestaande uit onder andere een protonen geleidend membraan, dit membraan vervaardigd is uit een poreuze folie 5 welke is geïmpregneerd met een protonen geleidend polymeer, met het kenmerk dat, de impregnatie met het proptonen geleidend polymeer slechts heeft plaatsgevonden in het actieve gebied van deze MEA, en dat rond dit actieve gebied de poreuze folie non-poreus gemaakt is.1. A fuel cell containing an MEA, comprising, inter alia, a proton-conducting membrane, this membrane is made of a porous film 5 which has been impregnated with a proton-conducting polymer, characterized in that the impregnation with the propon-conducting polymer has only taken place in the active region of this MEA, and that around this active region the porous film has been made non-porous. 2. Een product volgens conclusie 1 met het kenmerk dat voorafgaande aan 10 de impregnatie met protonen geleidend polymeer de randen non-poreus gemaakt zijn met een niet protonen geleidend polymeer.A product according to claim 1, characterized in that prior to the impregnation with proton conducting polymer the edges are made non-porous with a non proton conducting polymer. 3. Een product volgens één der voorgaande conclusies met het kenmerk dat het polymeer dat gebruikt is voor het non-poreus maken van het niet protonen geleidende gebied gekozen wordt uit dezelfde groep polymeren als waarvan de 15 poreuze folie is vervaardigdA product according to any one of the preceding claims, characterized in that the polymer used for rendering the non-proton conducting region non-porous is selected from the same group of polymers from which the porous film is made. 4. Een product volgens één der voorgaande conclusies met het kenmerk dat het materiaal van de MEA-rand gekozen wordt uit dezelfde groep polymeren als waaruit de rand van de eetplaten wordt vervaardigd. Een product volgens één der voorgaande conclusies met het kenmerk dat het 20 materiaal van de MEA-rand bestaat uit PE en de rand van de celplaten eveneens bestaat uit PE.A product according to any one of the preceding claims, characterized in that the material of the MEA rim is selected from the same group of polymers from which the rim of the dinner plates is made. A product according to any one of the preceding claims, characterized in that the material of the MEA edge consists of PE and the edge of the cell plates also consists of PE. 5. Een product volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de rand de poreuze folie non-poreus is gemaakt door middel van verdichten bij verhoogde druk en temperatuur.A product according to claim 1, characterized in that the edge of the porous film is rendered non-porous by means of compaction at elevated pressure and temperature. 6. Een product volgens één der voorgaande conclusies met het kenmerk dat de temperatuur waarbij het poreuze folieachtige materiaal non-poreus gemaakt wordt lager is dan het kristallijn smeltpunt van het gebruikte versterkingsmateriaal.A product according to any one of the preceding claims, characterized in that the temperature at which the porous foil-like material is made non-porous is lower than the crystalline melting point of the reinforcing material used. 7. Een product volgens één der voorgaande conclusies met het kenmerk het geïmpregneerde deel van de folie na impregnatie en droging wordt verdicht door 30 middel van persen of kalanderen.A product according to any one of the preceding claims, characterized in that the impregnated part of the film after impregnation and drying is compacted by pressing or calendering. 8. Een product volgens één der conclusies met het kenmerk dat de toegepaste vervaardigingprocessen van rol tot rol -worden uitgevoerd.A product according to any one of claims, characterized in that the manufacturing processes used are carried out from roll to roll. 9. Een product volgens één der conclusies met het kenmerk dat het lamineren van de gasd'rffusie lagen gebeurt door middel van een bandkaiander of 35 dubbelbandpers.A product according to any one of claims, characterized in that the lamination of the gas diffusion layers is done by means of a belt calender or double belt press. 10. Een product volgens één der voorgaande conclusies met het kenmerk dat de MEA-rand en de eetplaat gasdicht gelast kunnen worden.A product according to any one of the preceding claims, characterized in that the MEA rim and the dining plate can be welded gastight. 11. Een product volgens één der voorgaande conclusies met het kenmerk dat voorafgaande aan de impregnatie lucht in de poriën van het poreuze materiaal verdrongen wordt door een geschikt gas of vloeistof zoals oplosmiddel, 5 oplosmiddeldamp, Helium, C02. 10 15 20 25 30 3511. A product according to any one of the preceding claims, characterized in that prior to the impregnation, air is displaced in the pores of the porous material by a suitable gas or liquid such as solvent, solvent vapor, Helium, CO2. 10 15 20 25 30 35
NL1014402A 2000-02-17 2000-02-17 Method for Manufacturing Reinforced Polymer Membranes Electrolyte Fuel Cells. NL1014402C1 (en)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NL1014402A NL1014402C1 (en) 2000-02-17 2000-02-17 Method for Manufacturing Reinforced Polymer Membranes Electrolyte Fuel Cells.
PCT/NL2001/000136 WO2001061774A1 (en) 2000-02-17 2001-02-19 Reinforced ion exchange membrane
EP01910242A EP1301955A1 (en) 2000-02-17 2001-02-19 Reinforced ion exchange membrane
AU37820/01A AU3782001A (en) 2000-02-17 2001-02-19 Reinforced ion exchange membrane

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NL1014402A NL1014402C1 (en) 2000-02-17 2000-02-17 Method for Manufacturing Reinforced Polymer Membranes Electrolyte Fuel Cells.
NL1014402 2000-02-17

Publications (1)

Publication Number Publication Date
NL1014402C1 true NL1014402C1 (en) 2001-08-20

Family

ID=19770831

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NL1014402A NL1014402C1 (en) 2000-02-17 2000-02-17 Method for Manufacturing Reinforced Polymer Membranes Electrolyte Fuel Cells.

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP1301955A1 (en)
AU (1) AU3782001A (en)
NL (1) NL1014402C1 (en)
WO (1) WO2001061774A1 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6823584B2 (en) * 2001-05-03 2004-11-30 Ballard Power Systems Inc. Process for manufacturing a membrane electrode assembly
AU2003304303A1 (en) * 2003-07-03 2005-01-21 Li, Sanyou Integrative membrane electrode for an electrochemical device and production method of the same
WO2006002878A1 (en) * 2004-07-01 2006-01-12 Umicore Ag & Co. Kg Lamination process for manufacture of integrated membrane-electrode-assemblies
EP1689014A1 (en) * 2005-02-04 2006-08-09 Paul Scherrer Institut A method for preparing a membrane to be assembled in a membrane electrode assembly and membrane electrode assembly
DE102020134183A1 (en) * 2020-12-18 2022-06-23 J. Schmalz Gmbh Cell element for a redox flow battery and membrane layer

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5447636A (en) * 1993-12-14 1995-09-05 E. I. Du Pont De Nemours And Company Method for making reinforced ion exchange membranes
US5599614A (en) * 1995-03-15 1997-02-04 W. L. Gore & Associates, Inc. Integral composite membrane
WO2000010216A1 (en) * 1998-08-10 2000-02-24 Gore Enterprise Holdings, Inc. A membrane electrode gasket assembly
NL1011855C2 (en) * 1999-04-21 2000-10-24 Dsm Nv Method of manufacturing a composite membrane.

Also Published As

Publication number Publication date
EP1301955A1 (en) 2003-04-16
AU3782001A (en) 2001-08-27
WO2001061774A1 (en) 2001-08-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
grosse Austing et al. Layer-by-layer modification of Nafion membranes for increased life-time and efficiency of vanadium/air redox flow batteries
US6054230A (en) Ion exchange and electrode assembly for an electrochemical cell
KR100400950B1 (en) Continuous manufacturing method of membrane-electrode composite (MEA)
US7947405B2 (en) Solid polymer electrolyte composite membrane comprising porous ceramic support
CA2678850C (en) Method for producing membrane electrode assembly, membrane electrode assembly, apparatus for producing membrane electrode assembly, and fuel cell
KR20080034982A (en) Process for producing catalyst coated membranes
Fu et al. Alkali doped poly (vinyl alcohol) for potential fuel cell applications
US8182958B2 (en) Membrane membrane-reinforcement-member assembly, membrane catalyst-layer assembly, membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell
EP1615282A1 (en) Solid polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly for solid polymer fuel cell, and method for producing solid polymer electrolyte membrane
CN101326220A (en) Reinforced ion-conductive membranes
JPH08162132A (en) Polymer solid electrolyte-electrode joined body
US20120048456A1 (en) Porous material for fuel cell electrolyte membrane, method for producing the same, electrolyte membrane for solid polymer fuel cell, membrane electrode assembly (mea), and fuel cell
KR102036766B1 (en) Pore filling amphoteric membrane for low vanadium ion permeation and method for preparing thereof
Ramya et al. Effect of solvents on the characteristics of Nafion®/PTFE composite membranes for fuel cell applications
JP2007149357A (en) Conductive porous body for fuel cell, fuel cell equipped with it, and their manufacturing method
NL1014402C1 (en) Method for Manufacturing Reinforced Polymer Membranes Electrolyte Fuel Cells.
JP4771702B2 (en) Polymer solid electrolyte membrane with reinforcing material
CN117343369B (en) Preparation method of perfluorosulfonic acid composite proton exchange membrane material
JP2006269266A (en) Compound solid polyelectrolyte membrane having reinforcement material
KR20140118914A (en) Polymer electrolyte membrane, method for manufacturing the same and membrane-electrode assembly comprising the same
KR100352563B1 (en) Fabrication of Composite Polymer Electrolyte Membrane for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells
CA2444585A1 (en) Method and apparatus for the continuous coating of an ion-exchange membrane
CA2329064A1 (en) Fuel cell
JP2005276847A (en) Polymer solid electrolyte-electrode junction
JP2006260901A (en) Complex membrane of fluorine-containing sulfonic acid polymer

Legal Events

Date Code Title Description
VD2 Discontinued due to expiration of the term of protection

Effective date: 20060217