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DE102007009001A1 - Verfahren zum Laminieren einer Abziehlage auf einen Trägerfilm - Google Patents

Verfahren zum Laminieren einer Abziehlage auf einen Trägerfilm Download PDF

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DE102007009001A1
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DE
Germany
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carrier film
layer
range
liquid
porous
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102007009001A
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English (en)
Inventor
Bhaskar Sompalli
Chunxin Ji
Susan G. Yan
Hubert A. Gasteiger
Hiroshi Machida Shimoda
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AGC Inc
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
Asahi Glass Co Ltd
GM Global Technology Operations LLC
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.)
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Publication date
Application filed by Asahi Glass Co Ltd, GM Global Technology Operations LLC filed Critical Asahi Glass Co Ltd
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Abstract

Prozess, der umfasst, dass: eine flüssige Bindeschicht, die ein Ionomer und ein Lösemittel umfasst, über einem Trägerfilm abgeschieden wird; ein Abziehlagensubstrat über der flüssigen Bindeschicht angeordnet wird und die flüssige Bindeschicht getrocknet wird, um eine feste Bindeschicht, die das Ionomer umfasst, vorzusehen, und das Abziehlagensubstrat und der Trägerfilm miteinander über die feste Bindeschicht verbunden werden.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen U.S. Anmeldung Nr. 60/777,197, die am 27. Februar 2006 eingereicht wurde.
  • GEBIET
  • Die offenbarten Ausführungsformen betreffen allgemein Verfahren zum Laminieren eines Abziehlagensubstrates auf einen Trägerfilm.
  • HINTERGRUND
  • In der Brennstoffzellentechnik sind Katalysatoren auf Polymerelektrolytmembrane beschichtet worden. Die Katalysatorschicht kann direkt auf der Membran abgeschieden werden oder indirekt auf die Membran aufgebracht werden, indem zuerst der Katalysator auf ein Abziehlagensubstrat beschichtet wird. Die Katalysatoren sind auf das Abziehlagensubstrat als eine Aufschlämmung unter Verwendung eines Walzprozesses beschichtet worden. Die Membran mit dem darauf beschichteten Katalysator ist als eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM) bekannt.
  • Nachdem der Katalysator auf das Abziehlagensubstrat beschichtet ist, kann ein Ionomer über den Katalysator gesprüht werden, bevor der Katalysator an die Membran übertragen wird. Obwohl sowohl der Katalysator als auch die Membran das Ionomer enthalten, sieht die Ionomersprühschicht einen besseren Kontakt zwischen dem Katalysator und der Memb ran vor. Dies erhöht den Protonenaustausch zwischen der Membran und dem Katalysator, wodurch die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle erhöht wird.
  • Das Abziehlagensubstrat kann ein poröses Material sein, wie ein poröses Abziehlagensubstrat aus expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE). Jedoch ist das ePTFE-Substrat teuer und nicht wiederverwendbar. Insbesondere wenn der Katalysator an die Membran auf dem ePTFE-Substrat übertragen wird, verbleibt ein bestimmter Anteil des Ionomers in dem ePTFE-Substrat. Ferner kann das ePTFE-Substrat sich während des Prozesses dehnen, verformen und Lösemittel absorbieren, und somit werden die ePTFE-Substrate nach einer einzelnen Verwendung entsorgt.
  • Das Abziehlagensubstrat kann auch ein nicht poröses Material sein, wie ein Abziehlagensubstrat aus Ethylentetrafluorethylen (ETFE). Das ETFE-Abziehlagensubstrat sieht einen minimalen Verlust von Katalysator und Ionomer an das Substrat vor, da praktisch die gesamte Beschichtung und das gesamte Ionomer in dem Abziehlagenprozess übertragen werden. Die ETFE-Abziehlagensubstrate verformen sich nicht und können wiederverwendet werden.
  • Bei einer anderen Herstelltechnik wird die Membranelektrodenanordnung (MEA) als ein katalysatorbeschichtetes Diffusionsmedium (CCDM) anstatt einer CCM hergestellt. Das Diffusionsmedium ist ein poröses Material, sodass Gas und Wasser durch die MEA transportiert werden können. Das Diffusionsmedium ist typischerweise ein Kohlenstoffpapiersubstrat, das mit einer mikroporösen Schicht beschichtet ist, wobei die mikroporöse Schicht eine Mischung aus Kohlenstoff und einem Fluorpolymer (FEP, PVDF, HFP, PTFE, etc.) ist. Eine Katalysatortinte wird typischerweise auf das Obere der mikroporösen Schicht beschichtet und kann beispielsweise durch Besprühen mit einer Ionomerlösung überzogen werden. Ein Stück einer bloßen perfluorierten Membran wird schichtartig zwischen zwei Stücken des CCDM angeordnet, wobei die Katalysatorseiten zu der Membran weisen, und wird dann heißgepresst, um das CCDM mit der Membran zu verbinden.
  • Eine Vorgehensweise zur Herstellung robuster MEAs kann in dem gemeinsam übertragenen U.S. Patent Nummer 6,524,736 von Sompalli, et al. gefunden werden. Diese Vorgehensweise umfasst einen Prozess zur Herstellung von MEAs durch Beschichtung von Katalysatortinten auf poröse Träger oder Bahnen aus expandiertem PTFE, um Elektroden mit einer gleichförmigen Verteilung des Ionomerbinders zu erzeugen, wie in den 1–2a gezeigt ist. Das Konzept des Überziehens zur Unterstützung einer guten Übertragung von Katalysator an die Membran ist ebenfalls beschrieben. Sompalli et al., U.S. Patent Nr. 6,524,736 offenbart das folgende. Die sehr dünnen mikroporösen Substrate, auf denen der Katalysator abgeschieden ist, können schwierig handzuhaben sein, und ein poröser Trägerfilm kann mit den dünnen mikroporösen Substraten verbunden werden, um eine Festigkeits- und Stützschicht vorzusehen. Der poröse Trägerfilm kann während des Prozesses zum Entfernen des Substrates von der Membranelektrodenanordnung ausreichend mit dem mikroporösen Substrat verbunden werden. Die Bindung zwischen dem mikroporösen Substrat und dem porösen Trägerfilm muss während des gesamten Prozesses aufrechterhalten werden und muss über die Temperaturen des Heißpressschrittes beibehalten werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst einen Prozess, der umfasst, dass: eine flüssige Bindeschicht, die ein Ionomer und ein Lösemittel umfasst, über einem Trägerfilm abgeschieden wird; ein Abziehlagensubstrat über der flüssigen Bindeschicht angeordnet wird und die flüssige Bindeschicht getrocknet wird, um eine feste Bindeschicht, die das Ionomer umfasst, vorzusehen, und das Abziehlagensubstrat und der Trägerfilm miteinander über die feste Bindeschicht verbunden werden.
  • Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
  • 1 eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, die ein Verfahren zum Abscheiden einer flüssigen Bindeschicht, die ein Ionomer enthält, über einem Trägerfilm umfasst.
  • 2 eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, die ein Abscheiden eines Abziehlagensubstrates auf der flüssigen Bindeschicht umfasst.
  • 3 eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, die ein Verfahren umfasst, dass bewirkt wird, dass sich die flüssige Bindeschicht verfestigt, und eine Katalysatoraufschlämmungsschicht auf dem Abziehlagensubstrat abgeschieden wird.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
  • Nun bezugnehmend auf 1 umfasst eine Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zum Abscheiden einer flüssigen Bindeschicht 12 über einem Trägerfilm 10. Bei einer Ausführungsform der Erfindung besitzt der Trägerfilm 10 eine Dicke im Bereich von 25 bis 100 μm. Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann der Trägerfilm aus PET, Polyimid (Kapton®), PEN, PVDF oder beliebigen anderen polymeren Filmen bestehen, die Temperaturen bis zu 150°C aushalten können. Die flüssige Bindeschicht 12 umfasst ein Ionomer und ein Lösemittel. Bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann die flüssige Bindeschicht 12 bis zu einer Dicke im Bereich von 5–200 Mikrometer, 5–100 Mikrometer oder einer Dicke dazwischen abgeschieden werden.
  • Nun bezugnehmend auf 2 wird bei einer Ausführungsform der Erfindung, bevor das Lösemittel in der flüssigen Bindeschicht 12 verdunstet, ein Abziehlagensubstrat 14 auf der flüssigen Bindeschicht 12 unter minimaler oder erhöhter Kompression angeordnet. Anschließend kann das Lösemittel in der flüssigen Bindeschicht 12 verdunsten oder wird unter Ver wendung von Wärme, beispielsweise von einem Ofen oder von Trocknungslampen abgetrieben. Bei einer Ausführungsform wird die flüssige Bindeschicht 12 bei einer Temperatur im Bereich von Raumtemperatur bis 120°C und bevorzugt bei 60 bis 120°C getrocknet.
  • Das Abziehlagensubstrat 14 kann ein beliebiges einer Vielzahl von Materialien sein, die eine Porengröße unter 2 Mikrometer, bevorzugt unter 0,5 Mikrometer und am bevorzugtesten unter 0,2 Mikrometer aufweisen. Das Porenvolumen des porösen Materials kann im Bereich von 50 bis 80 % liegen. Bevorzugt ist das poröse Material für etwa 5 Minuten bei einer Temperatur im Bereich von 130–150°C temperaturkompatibel. Es können zusätzliche Oberflächenbeschichtungen auf das Abziehlagensubstrat 14 aufgebracht werden, um das Freisetzen eines Katalysators zu unterstützen, der über dem Abziehlagensubstrat 14 ausgebildet wird. Das Abziehlagensubstrat 14 kann aus einer Vielzahl poröser Materialien bestehen, einschließlich beispielsweise porösem Polyethylen oder porösem Polypropylen. Der Trägerfilm 10 besitzt eine größere mechanische Festigkeit und Beständigkeit gegenüber Reißen als das Abziehlagensubstrat 14. Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann das Abziehlagensubstrat 14 ePTFE sein und der Trägerfilm 10 kann PET sein.
  • Nun bezugnehmend auf 3 hält bei einer Ausführungsform der Erfindung, nachdem das Lösemittel in der flüssigen Bindeschicht 12 verdunstet worden ist, eine feste Bindeschicht 12', die ein Ionomer enthält, den Trägerfilm 10 und das Abziehlagensubstrat 14 aneinander. Bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann die feste Bindeschicht 12' eine Dicke im Bereich von 0,05–10 Mikrometer, 0,05 bis 2 Mikrometer, 0,1–1 Mikrometer oder eine Dicke dazwischen aufweisen. Es wird eine Katalysatoraufschlämmungsschicht 16 auf dem Abziehlagensubstrat 14 abgeschieden und getrocknet, um eine Abziehlagenanordnung 18 zu er zeugen, die die getrocknete Katalysatorschicht 16 umfasst, die an dem mit dem Trägerfilm 10 verbundenen Abziehlagensubstrat 14 angebracht ist.
  • Die Katalysatorschicht umfasst bevorzugt eine Gruppe fein geteilter Kohlenstoffpartikel, die fein geteilte katalytische Partikel tragen, wie Platin, und ein protonenleitendes Material, das mit den Partikeln vermischt ist. Das protonenleitende Material kann ein Ionomer sein, wie ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer. Bevorzugte Katalysatormaterialien umfassen Metalle, wie Platin, Platinlegierungen und andere Katalysatoren, die in der Brennstoffzellentechnik bekannt sind.
  • Die flüssige Bindeschicht 12 umfasst ein Ionomer und ein Lösemittel. Das Lösemittel kann Wasser, ein niedrig siedender Alkohol oder Mischungen daraus sein. Beispielsweise besitzt der Alkohol einen Siedepunkt unter 120°C und besitzt eine begrenzte Trocknungszeit. Beispiele niedrig siedender Alkohole sind Methanol, Ethanol, Iso- und n-Propanol. Das Verbinden des Abziehlagensubstrates 14 mit dem Trägerfilm 10 unter Verwendung einer flüssigen Bindeschicht 12, die ein Ionomer enthält, beseitigt den Bedarf nach einer Laminierung des Abziehlagensubstrates 14 und des Trägerfilms 10 unter hoher Temperatur, die die porösen Abziehlagensubstrate, wie ePTFE beschädigen können.
  • Wenn die Begriffe "über", " darüber liegend", "überzogen " oder "unter", "darunter liegend", "darunter liegen" bezüglich der relativen Position einer ersten Komponente oder Schicht bezüglich einer zweiten Komponente oder Schicht verwendet sind, soll dies bedeuten, dass die erste Komponente oder Schicht in direktem Kontakt mit der zweiten Komponente oder Schicht steht, oder dass zusätzliche Schichten oder Komponenten zwischen der ersten Komponente oder Schicht und der zweiten Komponente oder Schicht angeordnet sein können.
  • Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit werden Abwandlungen derselben nicht als eine Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung betrachtet.

Claims (22)

  1. Prozess, umfassend, dass: eine flüssige Bindeschicht, die ein Ionomer und ein Lösemittel umfasst, über einem Trägerfilm abgeschieden wird; ein Abziehlagensubstrat über der flüssigen Bindeschicht angeordnet wird und die flüssige Bindeschicht getrocknet wird, um eine feste Bindeschicht, die das Ionomer umfasst, vorzusehen, und das Abziehlagensubstrat und der Trägerfilm miteinander über die feste Bindeschicht verbunden werden.
  2. Prozess nach Anspruch 1, wobei das Abziehlagensubstrat ein poröses Material umfasst.
  3. Prozess nach Anspruch 1, wobei das Abziehlagensubstrat porös ist und Polytetrafluorethylen, Polyethylen oder Polypropylen umfasst.
  4. Prozess nach Anspruch 1, wobei das Abziehlagensubstrat expandiertes Polytetrafluorethylen umfasst.
  5. Prozess nach Anspruch 1, wobei das Abziehlagensubstrat ein poröses Material mit einer Porengröße im Bereich von 10–200 Mikrometer umfasst.
  6. Prozess nach Anspruch 1, wobei der Trägerfilm ein nicht poröses Material umfasst.
  7. Prozess nach Anspruch 1, wobei der Trägerfilm ein poröses Material umfasst.
  8. Prozess nach Anspruch 1, wobei der Trägerfilm eine größere mechanische Festigkeit als das Abziehlagensubstrat aufweist.
  9. Prozess nach Anspruch 1, wobei der Trägerfilm PET umfasst.
  10. Prozess nach Anspruch 1, wobei der Trägerfilm Kapton umfasst.
  11. Prozess nach Anspruch 1, wobei das Ionomer einen sulfonierten Perfluorkohlenstoff umfasst.
  12. Prozess nach Anspruch 1, wobei das Lösemittel Wasser umfasst.
  13. Prozess nach Anspruch 1, wobei das Lösemittel einen niedrig siedenden Alkohol umfasst.
  14. Prozess nach Anspruch 1, wobei das Lösemittel Wasser und einen niedrig siedenden Alkohol umfasst.
  15. Prozess nach Anspruch 1, wobei die flüssige Bindeschicht auf dem Trägerfilm bis zu einer Dicke im Bereich von 5–200 Mikrometer abgeschieden wird.
  16. Prozess nach Anspruch 1, wobei die flüssige Bindeschicht auf dem Trägerfilm bis zu einer Dicke im Bereich von 5–100 Mikrometer abgeschieden wird.
  17. Prozess nach Anspruch 1, wobei die feste Bindeschicht eine Dicke im Bereich von 0,05 bis 10 Mikrometer besitzt.
  18. Prozess nach Anspruch 1, wobei die feste Bindeschicht eine Dicke im Bereich von 0,05–2 Mikrometer aufweist.
  19. Prozess nach Anspruch 1, wobei die feste Bindeschicht eine Dicke im Bereich von 0,1–1 Mikrometer aufweist.
  20. Prozess nach Anspruch 1, wobei das Trocknen der flüssigen Bindeschicht bei einer Temperatur im Bereich von Raumtemperatur bis 200°C ausgeführt wird.
  21. Prozess nach Anspruch 1, wobei das Trocknen der flüssigen Bindeschicht bei einer Temperatur im Bereich von 60–120°C ausgeführt wird.
  22. Prozess nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass eine Katalysatorschicht über dem Abziehlagensubstrat abgeschieden wird.
DE102007009001A 2006-02-27 2007-02-23 Verfahren zum Laminieren einer Abziehlage auf einen Trägerfilm Withdrawn DE102007009001A1 (de)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US77719706P 2006-02-27 2006-02-27
US60/777,197 2006-02-27
US11/475,381 US7785435B2 (en) 2006-02-27 2006-06-27 Method of laminating a decal to a carrier film
US11/475,381 2006-06-27

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