NL1027443C2

NL1027443C2 - Methode voor het vervaardigen van membraanelektrode constructies voor polymeer Elektrolyt Brandstofcellen.

Info

Publication number: NL1027443C2
Application number: NL1027443A
Authority: NL
Inventors: Erik Middelman
Original assignee: Nedstack Holding B V
Priority date: 2004-11-08
Filing date: 2004-11-08
Publication date: 2006-05-09

Description

Methode voor het vervaardigen van membraanelektrode constructies voor polymeer

Elektrolyt Brandstofcellen

De uitvinding heeft betrekking op een methode voor de vervaardiging van 5 membraanelektrode constructies (MEA) voor polymeer elektrolyt brandstofcellen gebruikmakend van frame of rand rond het actief gebied.

Brandstofcellen zijn reeds bekend sinds de ontdekking door Sir William Grove in 1838. Vele soorten brandstofcellen zijn in de tussentijd ontwikkeld. Een van deze 10 brandstofcelsoorten is de polymeer elektrolyt brandstofcel. De polymeer elektrolyt brandstofcel wordt gekenmerkt door een protonen geleidend membraan waarop aan weerszijden een katalysator bevattend elektrode is aangebracht. Veelal is dit protonen geleidend membraan een folie van een geschikt polymeer. Dergelijke brandstofcellen hebben echter het nadeel dat het protonen geleidend membraan een 15 minimale dikte moet hebben om voldoende sterkte te zijn. Een mogelijkheid om het vermogen van een brandstofcel te verhogen is verlaging van de membraandikte. Hiervoor geldt dat dit begrensd wordt door de benodigde mechanische sterkte van het membraan en de hanteerbaarheid van de MEA. Dunne membraanranden scheuren gemakkelijk, en vouwen vaak dubbel bij assemblage met lekkage tot 20 gevolg.

Een ander probleem met de toepassing van CCM (=Catalyst Coated Membrane) in MEA constructies is het gebrek aan hechting tussen de elektrode en het gasdiffusie-materiaal. Hierdoor onthechten CCM en gasdiffusiemateriaal bij uitzetting en krimp van het membraan.

25 Voor algemene informatie over de fabricage van MEA’s wordt verwezen naar “Handbook of Fuel cells, Vielstich, Lamm, Gasteiger, deel 3, H43).

De uitvinding beoogt een methode te verschaffen waarin de bovengenoemde problemen worden opgelost.

30

Dit kan door volgens de uitvinding gebruik te maken van een frame rond het actief gebied van de MEA. Hierbij worden de benodigde mechanische eigenschappen in het actief gebied geleverd door de gasdiffusielagen, en wordt de uitstekende membraan rand versterkt met een frame. Een probleem bij het aanbrengen van een 35 frame rond de MEA is dat hechting tussen membraan en framemateriaal noodzakelijk is voor een goede werking. Deze hechting is vaak onvoldoende. Dit 1027443“ 2 probleem ontstaat vooral bij gebruik van gefluorideerde membranen. Deze materialen zijn doorgaans moeilijk te hechten aan andere polymeren.

Volgens de uitvinding wordt de buiten het actief gebied van de MEA uitstekende membraanrand gecoat met een hechtlaag. Deze hechtlaag vormt later de verbinding 5 tussen frame-materiaal en het membraan. De hechtlaag volgens de uitvinding kan op verschillende manieren worden aangebracht.

Een methode volgens de uitvinding omvat de volgende stappen;

Aanmaken van de elektrodecoating volgens bekende recepturen. Deze recepten 10 bestaan typisch uit een katalysator op een drager, een ionengeleidend polymeer in oplossing of dispersie, waarbij het ionomeer bij voorkeur hetzelfde is als het ionomeer van het membraan en een oplosmiddel of mengsel van oplosmiddelen.

Aanmaken van een coating (de hechtcoating) die gelijk is, of vrijwel gelijk is aan de elektrodecoating, met het verschil dat de katalysator op drager is vervangen door 15 een andere goed dispergeerbare vaste stof van bij voorkeur dezelfde deeltjesgrootte als de vaste stofdeeltjes in de elektrodecoating.

Het aan beide zijden van het ionen geleidende membraan aanbrengen van de elektrode coating (FIG 2 (3a)) in het actieve gebied, en de hechtcoating (FIG 2 (4)) j in een gebied rond het actief gebied.

20 Het drogen van de beide coatings waarbij een belangrijk deel van het oplosmiddel wordt verwijderd.

Het lamineren (FIG 4) van gasdiffusielagen (6) in het actief gebied aan beide zijden van het gecoate membraan.

Het lamineren van een frame (FIG 5 (7)) rond het actieve gebied waarbij het frame 25 aan beide zijden van het membraan wordt aangebracht. Hierdoor ontstaat een MEA-constructie volgens figuur 6.

Een ander methode volgens de uitvinding omvat de volgende stappen.

Het aanbrengen van de hechtcoating (FIG 7 (4)) op het membraan in een gebied 30 rond het latere actieve gebied.

Het aanbrengen van een elektrodecoating (FIG 8 (3c)) op de gasdiffusielaag, plus het eventueel aanbrengen van een hechtlaag (9) op deze elektrodelaag.

Het lamineren, samenpersen van membraan en gecoate gasdiffusielagen (FIG 9).

Het lamineren van het frame (FIG 10) tot een constructie volgens figuur 12.

35

Weer een andere methode volgens de uitvinding omvat de volgende stappen; 1027443“ 3

Het coaten van het membraan ( FIG 12) met de elektrodecoating (3) en de hechtcoating (4)

Het lokaal impregneren van de gasdiffusielaag (FIG 13) met een geschikt polymeer (8).

5 Het op elkaar lamineren en/of persen van de lokaal geïmpregneerde gasdiffusielaag en het gecoate membraan (FIG 14)

Het lossnijden (9) van de individuele MEA’s uit de productbaan.

Een vierde methode volgens de uitvinding omvat de volgende stappen; 10 Het coaten van het membraan ( FIG 1) met de hechtcoating (4)

Het aanbrengen van elektrodecoating en hechtlaag 9 op het gasdiffusiemateriaal.

Het op elkaar lamineren en/of persen van de lokaal geïmpregneerde en lokaal 15 gecoate gasdiffusielaag en het gecoate membraan (FIG 14)

Het lossnijden (9) van de individuele MEA’s uit de productbaan tot een discreet product volgens figuur 14.

Het te gebruiken frame materiaal kan bestaan uit polymeer folie, of een meerlaags 20 laminaat van polymeerfolie.ln een meerlaags laminaat constructie hebben de lagen aan de binnenzijde, dit zijn de lagen die incontact komen met het membraan het laagste smeltpunt of verwekingspunt. Een geschikte constructie kan bijvoorbeeld bestaan uit een hechtlaag, zoals een geschikt ionomeer (bijvoorbeeld EVA), en een polymeerlaag met een hogere smelt temperatuur zoals PP. Voorkeur hebben bi-25 axiaal verstrekte polymeer folies. Ook kunnen de frames bestaan uit een vezelversterkt laminaat. Ook hierbij is een toplaag met hoger smeltpunt of verwekingspunt dan de matrix wenselijk.

Bij gebruik van een elektrodecoating op het membraan kan geen dichte elektrisch 30 isolerende hechtcoating worden aangebracht omdat deze coating gastransport zou belemmeren, en ook elektrisch contact zou voorkomen. Dit probleem wordt volgens de uitvinding opgelost door het aanbrengen van een niet dichte hechtlaag. Deze niet dichte hechtlaag bestaat bijvoorbeeld uit een patroon van puntjes of streepjes van een geschikt hechtmiddel. Geschikte hechtmiddelen zijn materialen die zowel aan de 35 elektrode, als aan de gasdiffusielaag hechten. Deze hechtlaag bedekt minder dan de helft van het actief oppervlak. Bij voorkeur minder dan 10 % en ideaal minder dan 1%.

1027443“

Claims

1. Een brandstofcel bevattende een MEA, bestaande uit onder andere een protonen geleidend membraan, met het kenmerk dat het membraan buiten het actief 5 gebied is gecoat met een hechtcoating

2. Een product volgens conclusie 1 met het kenmerk dat de hechtcoating bestaat uit onder andere een polymeer protongeleider, oplosmiddel of oplosmiddelen en een fijn verdeelde vaste stof, en waarvan de formulering die lijkt op de elektrode inkt, maar aanzienlijk minder, en bij voorkeur geen katalysator bevat.

3. Een product volgens één der voorgaande conclusies met het kenmerk dat de hechtcoating in plaats van de katalysator op drager, alleen de drager bevat.

4. Een product volgens één der voorgaande conclusies met het kenmerk dat de hechtcoating in plaats van een typisch elektrisch geleidende drager, een niet elektrisch geleidend materiaal bevat.

5. Een product volgens conclusie 4, met het kenmerk dat de hechtcoating een silica bevat.

6. Een product volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk dat er een frame is aangebracht rond het actief gebied.

7. Een product volgens conclusie 6 met het kenmerk dat dit frame bestaat uit 20 een polymeer folie of een meerlaags polymeer folie of een vezelversterkte polymeer folie of een kombinatie van genoemde folies.

8. Een MEA opgebouwd uit een CCM met aan weerszijden een GDL.en dat de CCM is voorzien van een hechttings middel, met het kenmerk dat het hechtingsmiddel slechts een deel van het aktief oppervlak bedekt.

9. Een MEA volgens conclusie 8, met het kenmerk dat het hechtmiddel minder dan 50% van het actief oppervlak bedekt.

10. Een MEA volgens conclusie 8, met het kenmerk dat het hechtmiddel minder dan 10% van het actief oppervlak bedekt.

11. Een MEA volgens conclusie 8, met het kenmerk dat het hechtmiddel is 30 aangebracht als een regelmating patroon. 35 1027443-