DE112004001357T5

DE112004001357T5 - Verfahren zum Herstellen planarer, mit Rahmen versehener Membranelektrodenbaugruppen-Arrays und diese enthaltende Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE112004001357T5
Application number: DE112004001357T
Authority: DE
Inventors: Donald H. Brunk; Deepak Hockessin Perti
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2006-07-20
Also published as: US20060150398A1; JP2006528414A; US7416804B2; TW200509447A; WO2005011041A1

Abstract

Verfahren zum Erzeugen mindestens einer mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppe, umfassend:
a) Erzeugen mindestens einer Komponente einer mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe, aufweisend einen äußeren Rahmen mit einer Mehrzahl von Brücken, und mindestens eines Elementes mit einer Mehrzahl von Außenkanten, wobei mindestens ein Element mit dem äußeren Rahmen über die Mehrzahl von Brücken verbunden ist, wodurch eine einstückige Struktur erzeugt wird;
b) Erzeugen eines Trägermaterials mit einer Mehrzahl von Öffnungen, die durch eine Mehrzahl von Innenkanten begrenzt sind; sowie
c) Befestigen des Trägermaterials mit mindestens einer Komponente der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe, wobei der äußere Rahmen und die Mehrzahl von Außenkanten des mindestens einen Elementes von dem Trägermaterial gehalten werden, wodurch mindestens eine mit Rahmen versehene Membranelektrodenbaugruppe erzeugt wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einzelner oder mehrfacher planarer, mit Rahmen versehener Membranelektrodenbaugruppen-Arrays unter Nutzung von mit Rahmen versehenen Komponenten einer Membranelektrodenbaugruppe und speziell ihre Verwendung in Brennstoffzellen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Elektrochemische Zellen schließen allgemein eine Anode ein und eine Kathode, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Eine allgemein bekannte Anwendung elektrochemischer Zellen erfolgt in einer Brennstoffzelle (eine Zelle, bei der Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie umgewandelt werden), die eine Protonenaustauschmembran (nachfolgend bezeichnet als "PEM") als den Elektrolyten verwendet, wie beispielsweise bei direkten Methanol-Brennstoffzellen. In einer solchen Zelle wird ein Reaktionsteilnehmer oder eine reduzierende Flüssigkeit, wie beispielsweise Methanol, der Anode zugeführt und ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Sauerstoff, der Kathode zugeführt. Das Methanol reagiert elektrochemisch an der Oberfläche der Anode unter Erzeugung von Wasserstoffionen und Elektronen. Die Elektronen werden an einen externen Lastkreis geleitet und anschließend zur Kathode zurückgeführt, während Wasserstoffionen durch den Elektrolyten hindurch zur Kathode übertragen werden, wo sie mit dem Oxidationsmittel und den Elektronen unter Erzeugung von Wasser reagieren und Wärmeenergie freisetzen.

Im Allgemeinen ist in der Brennstoffzelle die aus dem PEM bestehende Struktur auf ihren Oberflächen mit einer Schicht von Katalysator/Kohlenstoff/Bindemittel beschichtet und sandwichartig zwischen zwei mikroporösen leitfähigen Schichten eingeschlossen (die die Aufgabe von Gasdiffusionsschichten und Stromkollektoren haben) und als Membranelektrodenbaugruppe (MEA) bekannt.

Allgemein ist auf dem Fachgebiet das Verfahren zur Herstellung einer MEA gut etabliert, so dass individuelle MEAs manuell oder mit Hilfe automatisierter Prozesse erzeugt werden. Bei den manuellen Prozessen wird jede Gasdiffusionselektrode und/oder Gasdiffusionsschicht einzeln für jedes Element des Arrays aufgebracht. Der Nachteil derartiger Prozesse besteht unter anderem darin, dass es in einem hohen Maß schwierig ist, die Elemente von Hand auszurichten, womit die Ausführung des Prozesses sehr zeitaufwendig und kostspielig wird. Darüber hinaus lassen sich die zur Fertigung konventioneller Non-Array-MEAs entwickelten Techniken nicht ohne weiteres auf die Herstellung von Arrays erweitern, was auf die geringen Abmessungen, auf die Anforderungen an eine genaue Ausrichtung und auf die elektrische Isolierung zwischen den Array-Elementen zurückzuführen ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

In einem ersten Aspekt gewährt die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen mindestens einer mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppe, umfassend:

a) Erzeugen mindestens einer mit Rahmen versehenen Komponente einer Membranelektrodenbaugruppe, aufweisend einen äußeren Rahmen mit einer Mehrzahl von Brücken, und mindestens eines Elementes mit einer Mehrzahl von Außenkanten, wobei mindestens ein Element mit dem äußeren Rahmen über die Mehrzahl von Brücken verbunden ist, wodurch eine einstückige Struktur erzeugt wird;
b) Erzeugen eines Trägermaterials mit einer Mehrzahl von Öffnungen, die durch eine Mehrzahl von Innenkanten begrenzt sind; sowie
c) Befestigen des Trägermaterials mit der mindestens einer Komponente der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe, wobei der äußere Rahmen und die Mehrzahl von Außenkanten des mindestens einen Elementes von dem Trägermaterial gehalten werden, wodurch mindestens eine mit Rahmen versehene Membranelektrodenunterbaugruppe erzeugt wird.

Die mit Rahmen versehene MEA-Komponente lässt sich aus der Gruppe auswählen, bestehend aus einer Gasdiffusionsschicht (GDL), aus einer Gasdiffusionselektrode (GDE), einer mit Katalysator beschichteten Membran (CCM) und einer Protonenaustauschmembran (PEM).

Wahlweise lassen sich die Schritte a) bis c) mindestens ein Mal zur Erzeugung zusätzlicher mit Rahmen versehener Membranelektrodenunterbaugruppen wiederholen.

In einem zweiten Aspekt gewährt die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppen-Arrays, wobei der vorstehend festgelegte Prozess ferner umfasst:

d) Trennen des mindestens einen Elementes von dem äußeren Rahmen, wobei die Brücken und das angebrachte Material entfernt werden; und
e) in Kontakt bringen der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppe, wie sie in dem vorgenannten Prozess erzeugt wurde, mit zusätzlichen Komponenten.

Wenn die mit Rahmen versehene Komponente der Membranelektrodenbaugruppe eine Gasdiffusionsschicht aufweist, wird die in Schritt (c) erzeugte, mit Rahmen versehene Membranelektrodenbaugruppe auf einer Seite einer mit Katalysator beschichteten Membran aufgebracht, gefolgt von einem Pressen zur Erzeugung eines mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppen-Arrays.

Wenn die mit Rahmen versehene Komponente der Membranelektrodenbaugruppe eine Gasdiffusionselektrode aufweist, wird das mit Rahmen versehene Membranelektrodenbaugruppen-Array hergestellt, indem das Sandwich zusammengepresst wird, das durch die in Schritt (c) erzeugten mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppen und die dazwischen befindliche Ionenaustauschmembran gebildet wird.

Wenn die mit Rahmen versehene Komponente der Membranelektrodenbaugruppe eine mit Katalysator beschichtete Membran aufweist, geht Schritt (e) dem Schritt (d) voran und es werden mit Rahmen versehene Komponenten der Membranelektrodenbaugruppe, die jeweils eine Gasdiffusionsschicht aufweisen, auf einer Seite der in Schritt (c) erzeugten, mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppe aufgebracht und zur Erzeugung des mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppen-Arrays zusammengepresst.

Wenn die mit Rahmen versehene Komponente der Membranelektrodenbaugruppe eine Protonenaustauschmembran aufweist, geht Schritt (e) dem Schritt (d) voran und die mit Rahmen versehenen Komponenten der Membranelektrodenbaugruppe, die jeweils eine Gasdiffusionselektrode aufweisen, werden auf einer Seite der in Schritt (c) erzeugten, mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppe aufgebracht und zur Erzeugung eines mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppen-Arrays zusammengepresst.

In einem dritten Aspekt gewährt die Erfindung eine mit Rahmen versehene Membranelektrodenunterbaugruppe, die unter Anwendung des vorgenannten Prozesses erzeugt wird.

In einem vierten Aspekt gewährt die Erfindung ein mit Rahmen versehenes Membranelektrodenbaugruppen-Array, das eine mit Rahmen versehene Membranelektrodenunterbaugruppe aufweist, die unter Anwendung der vorgenannten Prozesse erzeugt ist.

In einem fünften Aspekt gewährt die Erfindung eine Brennstoffzelle, die ein mit Rahmen versehenes Membranelektrodenbaugruppen-Array aufweist, wobei die mit Rahmen versehene Membranelektrodenunterbaugruppe unter Anwendung des vorgenannten Prozesses erzeugt ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:

1 eine Draufsicht auf eine planare, mit Rahmen versehene Komponente der Membranelektrodenbaugruppe, die nach der vorliegenden Erfindung durch Ausstanzen eines flächigen Gebildes der GDL, GDE, CCM oder einer PEM erzeugt wurde;

2 eine Konfiguration von Trägermaterial nach der vorliegenden Erfindung;

3 die Aufbringung und Befestigung der mit Rahmen versehenen Komponente der Membranelektrodenbaugruppe auf der Oberseite des Trägermaterials;

4 eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM) mit selektiv beschichteten Elektroden auf einer Protonenaustauschmembran;

5 ein mit Rahmen versehenes Membranelektrodenbaugruppen-Array in auseinandergezogener Darstellung, das eine CCM aufweist, die sandwichartig zwischen zwei mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppen mit entfernten Brücken eingeschlossen ist;

6 eine Mehrzahl von mit Rahmen versehenen MEA-Komponenten.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Bei Brennstoffzellen handelt es sich um elektrochemische Vorrichtungen, die die chemische Energie eines Brennstoffes, wie beispielsweise Methanol oder Wasserstoffgas, und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umwandeln. Typische Brennstoffzellen haben eine Anode (eine negativ geladene Elektrode), eine Kathode (eine positiv geladene Elektrode), die durch einen Elektrolyten getrennt sind, die als Zusammenfügungen von Membranelektrodenbaugruppen (MEA) gebildet werden.

Die vorliegende Erfindung dient zur Verwendung in der Herstellung von Membranelektrodenbaugruppen zur Verwendung in Brennstoffzellen unter Nutzung von Protonenaustauschmembranen (auch bezeichnet als "PEM"), wie beispielsweise direkten Methanol-Brennstoffzellen, Wasserstoff-Brennstoffzellen, Brennstoffzellen mit Reforming-Wasserstoff sowie anderen Brennstoffzellen mit flüssiger Zuführung (z.B. solche unter Nutzung von zugeführten Brennstoffen von Ethanol, Propanol, Ameisensäure und dergleichen), wobei die vorliegende Erfindung jedoch bevorzugt für die Erzeugung von MEAs angewendet wird, die in direkten Methanol-Brennstoffzellen genutzt werden.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Erzeugung von MEAs, die eine Reihe von Anwendungen finden, bei denen tragbare Mikrotechnologie zum Einsatz gelangt, wie beispielsweise mikro-tragbare direkte Methanol-Brennstoffzellen, die mit einer weitgehend flachen Geometrie zur Verwendung in der Konsumelektronik verpackt werden können, wie beispielsweise für Laptop-Computer, Handys, PDAs und andere tragbare Geräte der Elektronik.

Wie hierin verwendet, bedeutet "planar", dass jedes MEA-Element in der mit Rahmen versehenen Komponente der Membranelektrodenbaugruppe so angeordnet ist, dass dessen größte Oberfläche im Wesentlichen in der gleichen Ebene liegt, wie die äquivalenten Oberflächen der angrenzenden oder benachbarten MEAs.

Wie hierin verwendet, bedeutet "komplementäre, mit Rahmen versehene Membranunterbaugruppe" eine Baugruppe, welche die erste erzeugte Baugruppe ergänzt, z.B. wenn die erste erzeugte Baugruppe die Anodenseite der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppe ist, dann ist die komplementäre Baugruppe die Kathodenseite der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppe.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Erzeugen eines mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppen-Arrays (1), wie in 5 gezeigt wird, welches Verfahren die folgenden Schritte umfasst und wobei die Schritte a) und b) in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden können. In Schritt (a) wird mindestens eine mit Rahmen versehene Komponente der Membranelektrodenbaugruppe (2) entsprechend der Darstellung in 1 erzeugt. Die mit Rahmen versehene Komponente der Membranelektrodenbaugruppe (2) weist einen äußeren Rahmen (3) auf, der über eine Mehrzahl von Brücken oder Stegen (4) verfügt, sowie mindestens ein Element (5), das über Außenkanten verfügt, wobei das mindestens eine Element mit dem äußeren Rahmen über die Mehrzahl von Brücken verbunden ist, wodurch eine einstückige Struktur gebildet wird. In Schritt (b) wird ein Trägermaterial (6) entsprechend der Darstellung in 2 mit einer Mehrzahl von Öffnungen erzeugt, die von einer Mehrzahl Innenkanten (11) begrenzt sind. In Schritt (c) wird das Trägermaterial (6) mit der mindestens einen Komponente der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe (2) befestigt, wobei der äußere Rahmen und die Mehrzahl von Außenkanten (7) des mindestens einen Elementes entsprechend der Darstellung in 3 von dem Trägermaterial gehalten werden, wodurch eine mit Rahmen versehene Membranelektrodenunterbaugruppe erzeugt wird.

In Schritt (d) wird das mindestens eine Element von dem äußeren Rahmen entfernt oder elektrisch isoliert, indem die Brücken und das an den Brücken (14) angebrachte Material entfernt wird. In der Ausführungsform, worin die mit Rahmen versehene Membranelektrodenkomponente eine Gasdiffusionselektrode oder eine katalysatorbeschichtete Membran ist, kann entweder eine Anodenseite (8) oder Kathodenseite (9) entsprechend der Darstellung in 5 erzeugt werden.

Alternativ lassen sich die Schritte (a) bis (c) mindestens ein Mal zur Erzeugung von zusätzlichen mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppen wiederholen, welche die in Schritt (c) erzeugte Unterbaugruppe ergänzen, z.B. wenn eine Kathodenseite der Baugruppe in Schritt (c) erzeugt wird, wo die Schritte zur Erzeugung einer Anodenseite der Baugruppe wiederholt werden.

In Schritt (e) kann entsprechend der Darstellung in 5 ein mit Rahmen versehenes Membranelektrodenbaugruppen-Array erzeugt werden, indem die in dem vorgenannten Prozess erzeugte mit Rahmen versehene Membranelektrodenunterbaugruppe in Kontakt mit zusätzlichen Komponenten gebracht wird.

Wenn die mit Rahmen versehene Komponente der Membranelektrodenbaugruppe eine Gasdiffusionsschicht aufweist, wird die mit Rahmen versehene und in Schritt (c) erzeugte Membranelektrodenunterbaugruppe auf einer Seite einer katalysatorbeschichteten Membran aufgebracht, gefolgt von einem Zusammenpressen zur Erzeugung des mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppen-Arrays.

Wenn die mit Rahmen versehene Komponente der Membranelektrodenbaugruppe eine Gasdiffusionselektrode aufweist, wird ein mit Rahmen versehenes Membranelektrodenbaugruppen-Array hergestellt, indem das Sandwich zusammengepresst wird, das durch die in Schritt (c) erzeugten mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppen und die dazwischen angeordnete Ionenaustauschmembran gebildet wird.

Wenn die mit Rahmen versehene Komponente der Membranelektrodenbaugruppe eine katalysatorbeschichtete Membran aufweist, geht Schritt (e) dem Schritt (d) voran und es werden zusätzliche mit Rahmen versehene Komponenten der Membranelektrodenbaugruppe, die jeweils eine Gasdiffusionsschicht aufweisen, auf einer Seite der in Schritt (c) erzeugten mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppe aufgebracht und zur Erzeugung des mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppen-Arrays zusammengepresst.

Wenn die mit Rahmen versehene Komponente der Membranelektrodenbaugruppe eine Protonenaustauschmembran aufweist, geht Schritt (e) dem Schritt (d) voran und es werden zusätzliche mit Rahmen versehene Komponenten der Membranelektrodenbaugruppe, die jeweils eine Gasdiffusionselektrode aufweisen, auf einer Seite der in Schritt (c) erzeugten mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppe aufgebracht und zur Erzeugung eines mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppen-Arrays zusammengepresst.

4 zeigt eine katalysatorbeschichtete Membran, die über selektiv beschichtete Elektroden (12) auf einer PEM (13) verfügt. Die Elektroden können eine Anode mit einer Kathode auf der anderen Seite oder können eine Kathode mit einer Anode auf der anderen Seite sein.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist skalierbar, was bedeutet, dass es sich um ein Verfahren handelt, welches die Erzeugung von einer mit Rahmen versehenen Komponente einer Membranelektrodenbaugruppe sowie jeder beliebigen Zahl derselben ermöglicht. Dieses wird durch die Größe der mit Rahmen versehenen Elektrodenunterbaugruppe bestimmt und durch die Größe und den Typ der zu ihrer Erzeugung eingesetzten Anlage. In 6 ist eine Mehrzahl von mit Rahmen versehenen MEA-Komponenten gezeigt.

Im Allgemeinen erfolgt die Erzeugung der mindestens einen Komponente der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe (2) entsprechend der Darstellung in 1 und damit jeder ihrer Baugruppen im typischen Fall unter Anwendung von Mitteln zum Stanzen, wie beispielsweise durch Ausstanzen von flächigem CCM oder GDL, PEM und/oder GDE, um zu einer einzelnen oder mehrfachen Elementgeometrie zu gelangen, indem eine Stahl-Stanzschablone zum Erzeugen der erforderlichen Kontur (verfügbar bei DiTech, York PA) verwendet wird, die für diese Art des Einsatzes auf dem Fachgebiet gut bekannt sind. Stanzwerkzeuge verfügen im typischen Fall über solche Merkmale, dass sie zum Ausrichten der Elemente dienen, wie beispielsweise Federstiften oder visuelle Registriermarken, so dass der Stanzumriss im Bezug auf das Teil einwandfrei positioniert ist. Bei der Erzeugung der mit Rahmen versehenen Komponente der Membranelektrodenbaugruppe aus einer flächigen CCM oder GDE kann das Flächengebilde selektiv beschichtet sein, so dass es der Form des mindestens einen Elementes gleicht, so dass beim Ausführen des Stanzens wertvoller Katalysator (im typischen Fall weist er Platin auf) erhalten bleiben kann.

Die mit Rahmen versehene Komponente der Membranelektrodenbaugruppe (2), die in Schritt a) erzeugt wird, weist allgemein mindestens ein Element (5) mit Außenkanten, einen äußeren Rahmen (3), eine Mehrzahl von Brücken (4), die das mindestens eine Element mit dem äußeren Rahmen verbinden, und eine Mehrzahl von Hohlräumen (10) auf, die von diesen Komponenten begrenzt sind, wie sie in 1 gezeigt sind, wobei die mit Rahmen versehene Membranelektrodenbaugruppe eine CCM, GDL, PEM und/oder GDE ist. Die Brücken (4) wirken zur Stabilisierung des mindestens einen Elementes (5), so dass das/die Element(e) über die erforderliche Ausrichtung während des verbleibenden Teils des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verfügen. Die Hohlräume (10) sorgen für die elektrische Isolierung des mindestens einen Elementes/der Elemente gegenüber den anderen Elementen im Array. Für die erforderliche Ausrichtung bzw. Justierung kann man durch das Vorhandensein von Justierlöchern in der GDL oder GDE sorgen. Derartige Merkmale zur Ausrichtung können auch CCMs oder andere Protonenaustauschmembranen besitzen, z.B. Löcher, so dass die gesamte Anordnung mühelos unter Verwendung von Justierstiften erzeugt werden kann.

Das mindestens eine Element bildet im typischen Fall entweder die Anode oder die Kathode. Das mindestens eine Element (5) kann jede beliebige Form annehmen, wie beispielsweise rechteckig, kreisrund, elliptisch und dergleichen, sowie eine Vielzahl von Formen innerhalb der gleichen mit Rahmen versehenen Komponente der Membranelektrodenbaugruppe. Die Form des Elementes wird eher durch Verbraucheranforderungen als durch die Erfordernisse des Fertigungsprozesses bestimmt. Im typischen Fall hat das mindestens eine Element eine rechteckige Form.

Die mit Rahmen versehene Komponente der Membranelektrodenbaugruppe und dadurch das mindestens eine Element, die Mehrzahl von Brücken und der äußere Rahmen bilden eine weitgehend einstückige Struktur, und sind alle aus dem gleichen Material erzeugt.

Allgemein kann die mit Rahmen versehene Komponente der Membranelektrodenbaugruppe (2) eine Dicke im Bereich von etwa 100 bis etwa 1.000 Mikrometer haben. Wenn die mit Rahmen versehene Komponente der Membranelektrodenbaugruppe (2) aus einer GDL oder GDE gebildet wird, liegt die Dicke im Bereich von etwa 100 bis etwa 800 Mikrometer und typischer von etwa 150 bis etwa 400 Mikrometer und besonders typisch von etwa 200 bis etwa 300 Mikrometer. Wenn die mit Rahmen versehene Komponente der Membranelektrodenbaugruppe (2) aus einer PEM oder CCM gebildet wird, liegt die Dicke im Bereich von etwa 25 bis etwa 375 Mikrometer und typischer von etwa 50 bis etwa 250 Mikrometer und besonders typisch von etwa 75 bis etwa 200 Mikrometer. Die mit Rahmen versehene Komponente der Membranelektrodenbaugruppe (2) der vorliegenden Erfindung und damit jede ihrer Komponenten kann jede beliebige, konventionell bekannte Protonenaustauschmembran aufweisen, die als der Elektrolyt (Ionenaustauscher) wirkt, sowie eine Gasdiffusionsschicht (eine Sperrfolie, welche die Gase in den Anoden- und Kathodenkammern der Brennstoffzelle trennt, oder ein poröses, leitfähiges flächiges Material), die darauf aufgetragen einen Katalysator haben kann, wodurch eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM) und/oder eine Gasdiffusionselektrode (GDE) gebildet wird.

Die Gasdiffusionsschicht kann auf nur eine oder auf beiden Oberflächen mit einer dünnen porösen Schicht aufgetragen sein, die normalerweise als die Gasdiffusionsschicht bezeichnet wird und im typischen Fall eine Folie aus Kohlenstoff-Trägerpartikeln und ein Bindemittel aufweist, wie beispielsweise Fluorpolymere, z.B. PTFE. Vorzugsweise ist die Gasdiffusionsschicht ein gewebtes oder nicht gewebtes Substrat aus Kohlenstofffaser und mehr bevorzugt sind es Papiere auf Kohlenstoffbasis oder textile Materialien, die wahlweise so behandelt sein können, dass sie ein hydrophiles oder hydrophobes Verhalten zeigen.

Für die Herstellung einer katalysatorbeschichteten Membran ist eine Vielzahl von Methoden bekannt. Typische Fertigungsmethoden umfassen die Aufbringung einer Katalysator-Beschichtungszusammensetzung auf Substrate, wie beispielsweise auf die Protonenaustauschmembran aus Polymer. Methoden zum Aufbringen des Katalysators auf das Substrat schließen Spritzen ein, Streichen, Spachtelauftrag, flexographisches Aufdrucken und Siebdrucken.

Die Protonenaustauschmembran zur Verwendung bei der Herstellung einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM) kann eine Membran aus dem gleichen Ionenaustauschpolymer sein, wie es in Beschichtungszusammensetzungen von Elektrokatalysatoren verwendet wird. Die Membranen lassen sich mit Hilfe bekannter Methoden der Extrusion und des Gießens herstellen und haben eine Dicke, die in Abhängigkeit von dem vorgesehenen Einsatz variieren kann. Die Membranen haben im typischen Fall eine Dicke von 350 Mikrometer oder weniger, obgleich neuerlich Membranen zum Einsatz gelangen, die verhältnismäßig dünn sind, d.h. mit 50 Mikrometer oder weniger und noch typischer 25 Mikrometer oder weniger. Obgleich das Polymer in Form eines Alkalimetall- oder Ammoniumsalzes vorliegen kann, liegt das Polymer in der Membran im typischen Fall in Säureform vor, um Nachbehandlungsschritte des sauren Austauschers zu vermeiden. Geeignete perfluorierte Sulfonsäure-Polymermembranen in Säureform sind unter dem Warenzeichen Nafion^® bei der E. I. du Pont de Nemours and Company verfügbar.

In der Herstellung der CCM können auch verstärkte, perfluorierte Ionenaustausch-Polymermembranen verwendet werden. Verstärkte Membranen lassen sich durch Imprägnieren von porösem, geschäumtem PTFE (ePTFE) mit Ionenaustauschpolymer herstellen. ePTFE ist unter dem Warenzeichen "Goretex" bei W. L. Gore and Associates, Inc., Elkton, MD und unter dem Warenzeichen "Tetratex", bei Tetratec, Feasterville, PA, verfügbar. Die Imprägnierung von ePTFE mit perfluoriertem Sulfonsäure-Polymer wurde in den Patentschriften US-P-5 547 551 und 6 110 333 offenbart, die hiermit beide als Fundstellen einbezogen sind.

Alternativ kann die Protonenaustauschmembran ein poröser Träger sein. Ein poröser Träger kann die mechanischen Eigenschaften bei einigen Anwendungen verbessern und/oder die Kosten senken. Der poröse Träger kann aus einer großen Zahl von Komponenten erzeugt werden, einschließlich aus Kohlenwasserstoffen und Polyolefinen, z.B. Polyethylen, Polypropylen, Polybutylen, Copolymeren unter Einbeziehung von Polyolefinen und dergleichen. Perhalogenierte Polymere, wie beispielsweise Polychlortrifluorethylen, können ebenfalls verwendet werden. Die Membran kann auch aus einem Polybenzimidazol-Polymer hergestellt werden, wie beispielsweise durch Gießen einer Lösung von Polybenzimidazol in Phosphorsäure (H₃PO₄), die mit Trifluoressigsäure (TFA) entsprechend der Beschreibung in den US-P-5 525 436, 5 716 727, 6 025 085 und 6 099 988 dotiert ist.

Ionenaustauschpolymere, die zur Verwendung bei der Herstellung der Protonenaustauschmembran oder der katalysatorbeschichteten Membranen entsprechend der vorliegenden Erfindung geeignet sind, schließen hochfluorierte Ionenaustauschpolymere ein, ohne auf diese beschränkt zu sein. "Hochfluoriert" bedeutet, dass mindestens 90% der Gesamtzahl einwertiger Atome in dem Polymer Fluoratome sind. in einem besonders typischen Fall ist das Polymer perfluoriert. Für Polymere, die in Brennstoffzellen zur Anwendung gelangen, ist es typisch, über Sulfonat-Ionenaustauschgruppen zu verfügen. Der hierin verwendete Begriff "Sulfonat-Ionenaustauschgruppen" bedeutet entweder Sulfonsäuregruppen oder Salze von Sulfonsäuregruppen und im typischen Fall Alkalimetall- oder Ammoniumsalze. Bei Anwendungen, bei denen das Polymer für den Protonenaustausch verwendet werden soll, wie beispielsweise in Brennstoffzellen, ist die Sulfonsäure-Form des Polymers typisch. Sofern bei Verwendung das Polymer in der Beschichtungszusammensetzung für den Elektrokatalysator nicht in Sulfonsäure-Form vorliegt, kann ein Säureaustauschschritt zur Nachbehandlung angewendet werden, um vor der Verwendung das Polymer in die Säureform zu überführen.

Im typischen Fall weist das zum Einsatz gelangende Ionenaustauschpolymer ein Polymergrundgerüst mit repetierenden Seitenketten auf, die an dem Grundgerüst angebracht sind, wobei die Seitenketten die Ionenaustauschgruppen tragen. Es können Homopolymere oder Copolymere verwendet werden. Copolymere werden im typischen Fall aus nur einem Monomer erzeugt, d.h. aus einem nichtfunktionellen Monomer, so dass dem Polymergrundgerüst Kohlenstoffatome zur Verfügung gestellt werden, sowie aus einem zweiten Monomer, welches dem Polymergrundgerüst Kohlenstoffatome zur Verfügung stellt und auch eine Seitenkette beiträgt, die eine Kationenaustauschgruppe oder ihren Präkursor trägt, z.B. eine Sulfonylhalogenid-Gruppe, wie beispielsweise Sulfonylfluorid (-SO₂F), die anschließend zu einer Sulfonat-Ionenaustauschgruppe hydrolysiert werden kann. Es können beispielsweise Copolymere aus einem ersten fluorierten Vinylmonomer zusammen mit einem zweiten fluorierten Vinylmonomer verwendet werden, das eine Sulfonylfluorid-Gruppe (-SO₂F) hat. Beispielhaft für erste fluorierte Vinylmonomere schließen ein: Tetrafluorethylen (TFE), Hexafluorpropylen, Vinylfluorid, Vinylidenfluorid, Trifluorethylen, Chlortrifluorethylen, Perfluor(alkylvinylether) und Mischungen von zwei oder mehreren davon. Beispielhafte zweite Monomere schließen fluorierte Vinylether mit Sulfonat-Ionenaustauschgruppen oder Präkursorgruppen ein, die in dem Polymer die gewünschte Seitenkette bereitstellen können. Das erste Monomer kann auch eine Seitenkette haben, die die Funktion des Innenaustausches der Sulfonat-Ionenaustauschgruppe nicht stört. In die Polymere lassen sich nach Erfordernis auch zusätzliche Monomere einbeziehen.

Typische Polymere zur Verwendung in der Herstellung von katalysatorbeschichteten Substraten schließen Polymere mit hochfluorierten und besonders typisch ein perfluoriertes Kohlenstoffgrundgerüst mit einer Seitenkette ein, die dargestellt wird durch die Formel -(O-CF₂CFR_f)_a-O-CF₂CFR'_fSO₃H, worin R_f und R'_f unabhängig ausgewählt sind aus F, Cl und perfluorierten Alkyl-Gruppen mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, worin a gleich Null, 1 oder 2 beträgt. Spezielle Beispiele für geeignete Polymere schließen solche ein, die in den US-P-3 282 875, 4 358 545 und 4 940 525 offenbart wurden. Eines der beispielhaften Polymere weist ein Perfluorkohlenstoff-Grundgerüst und eine Seitenkette auf, die dargestellt wird durch die Formel O-CF₂CF(CF₃)-O-CF₂CF₂SO₃H. Diese Polymere wurden in den US-P-3 282 875 offenbart und können durch Copolymerisation von Tetrafluorethylen (TFE) und dem perfluorierten Vinylether CF₂=CF-O-CF₂CF(CF₃)-O-CF₂CF₂SO₂F, Perfluor(3,6-dioxa-4-methyl-7-octensulfonylfluorid) (PDMOF), gefolgt von einer Umwandlung zu Sulfonat-Gruppen durch Hydrolyse der Sulfonylfluorid-Gruppen und Innenaustausch zur Überführung in die Säure, auch bekannt als die "Protonenform", hergestellt werden. Ein beispielhaftes Polymer des Typs, der in den US-P-4 358 545 und 4 940 525 offenbart wurde, hat eine Seitenkette -O-CF₂CF₂SO₃H. Das Polymer kann durch Copolymerisation von Tetrafluorethylen (TFE) und dem perfluorierten Vinylether CF₂=CF-O-CF₂CF₂SO₂F, Perfluor(3-oxa-4-pentensulfonylfluorid) (POPF), gefolgt von einer Hydrolyse und Säureaustausch, hergestellt werden.

Bei perfluorierten Polymeren des vorstehend beschriebenen Typs kann die Ionenaustauschkapazität eines Polymers in Form eines Ionenaustauschverhältnisses ("IXR") ausgedrückt werden. Das Ionenaustauschverhältnis ist die Zahl der Kohlenstoffatome in dem Polymergrundgerüst bezogen auf die Ionenaustauschgruppen. Es ist eine große Reihe von IXR-Werten für das Polymer möglich. Im typischen Fall liegt jedoch der IXR-Bereich bei perfluorierten Sulfonat-Polymeren von etwa 7 bis etwa 33. Bei perfluorierten Polymeren des vorstehend beschriebenen Typs kann die Kationenaustauschkapazität eines Polymers mit dem Äquivalentgewicht (EW) ausgedrückt werden. Das hierin verwendete Äquivalentgewicht (EW) ist das Gewicht des Polymers in Säureform, das zur Neutralisierung eines Äquivalentes NaOH benötigt wird. Bei einem Sulfonat-Polymer mit einem Perfluorkohlenstoff-Grundgerüst und einer Seitenkette -O-CF₂-CF(CF₃)-O-CF₂-CF₂-SO₃H (oder einem Salz davon) liegt das einem IXR-Wert von etwa 7 bis etwa 33 entsprechende Äquivalentgewicht im Bereich von etwa 700 EW bis etwa 2.000 EW. Der bevorzugte Bereich für IXR für ein solches Polymer liegt bei etwa 8 bis etwa 23 (750 bis 1.500 EW) und liegt mehr bevorzugt im Bereich von etwa 9 bis etwa 15 (800 bis 1.100 EW).

Es kann jedes beliebige flüssige Medium verwendet werden, das mit dem Prozess zur Erzeugung der Protonenaustauschmembran oder zum Auftragen des Katalysators auf die Membran kompatibel ist. Wenn entflammbare Bestandteile zum Einsatz gelangen sollen, lässt sich das Medium so auswählen, dass das Prozessrisiko in Verbindung mit solchen Bestandteilen auf ein Minimum reduziert ist, wenn das Medium mit dem Katalysator während der Anwendung in Kontakt gelangt. Das Medium ist außerdem ausreichend stabil in Gegenwart des Ionenaustauschpolymers, das in seiner Säureform eine stark saure Wirkung hat. Bei Kompatibilität mit dem Ionenaustauschpolymer ist das flüssige Medium im typischen Fall polar und vorzugsweise in der Lage, die Membran zu benetzen. Obgleich für das flüssige Medium die Verwendung von Wasser möglich ist, ist das Medium vorzugsweise ein solches, welches das Ionenaustauschpolymer beim Trocknen zum Zerfließen bringt und keine Schritte der Nachbehandlung erfordert, wie beispielsweise Erhitzen, um eine stabile Elektrodenschicht zu bilden.

Als ein geeignetes flüssiges Medium für die Beschichtungszusammensetzung des Elektrokatalysators kann eine große Vielzahl polarer organischer Flüssigkeiten oder Mischungen davon dienen. In dem Medium kann in geringer Menge Wasser vorhanden sein, sofern es den Beschichtungsprozess nicht stört. Obgleich einige polare organische Flüssigkeiten die Membran zum Quellen bringen können, wenn sie in ausreichend großer Menge vorhanden sind, ist die Menge der in der Elektrokatalysatorbeschichtung verwendeten Flüssigkeit vorzugsweise klein genug, so dass nachteilige Wirkungen beim Quellen während des Prozesses vernachlässigbar oder nicht nachweisbar sind. Es wird angenommen, dass Lösemittel, die in der Lage sind, die Protonenaustauschmembran zum Quellen zu bringen, für einen besseren Kontakt und einen sichereren Auftrag der Elektrode auf die Membran sorgen können. Zur Verwendung als das flüssige Medium ist eine Vielzahl von Alkoholen gut geeignet.

Typische flüssige Medien schließen geeignete C₄- bis C₈-Alkylalkohole ein, wie beispielsweise n-, iso-, sec- und tert-Butylalkohole; die isomeren C₅-Alkohole, wie beispielsweise 1-, 2- und 3-Pentanol, 2-Methyl-1-butanol, 3-Methyl-1-Butanol, usw.; die isomeren C₆-Alkohole, wie beispielsweise 1-, 2- und 3-Hexanol, 2-Methyl-1-pentanol, 3-Methyl-1-pentanol, 2-Methyl-1-pentanol, 3-Methyl-1-pentanol, 4-Methyl-1-pentanol, usw.; die isomeren C₇-Alkohole und die isomeren C₈-Alkohole. Ebenfalls geeignet sind cyclische Alkohole. Bevorzugte Alkohole sind n-Butanol und n-Hexanol, wobei n-Hexanol mehr bevorzugt ist.

Die Menge des flüssigen Mediums in dem Anoden-Elektrokatalysator variiert und wird vom Typ des zum Einsatz gelangenden Mediums bestimmt, von den Bestandteilen des Elektrokatalysators, vom Typ der zum Einsatz gelangenden Vorrichtung zum Beschichten, von der angestrebten Elektrodendicke, von den Prozessgeschwindigkeiten, usw.

Ein bevorzugtes Ionenaustauschpolymer ist die kommerziell verfügbare Dispersion der Säureform des perfluorierten Sulfonsäure-Polymers, die von der E. I. du Pont de Nemours and Company unter dem Warenzeichen Nafion^® in einer Wasser/Alkohol-Dispersion vertrieben wird.

In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung kann jeder beliebige konventionelle bekannte Katalysator verwendet werden, der in Verbindung mit der Technologie der Brennstoffzelle genutzt wird. Geeignete Katalysatoren für Brennstoffzellen hängen im typischen Fall von den ausgewählten Reaktionsteilnehmern ab. Geeignete Katalysatoren zur Verwendung mit der Protonenaustauschmembran und der Gasdiffusionselektrode hängen in der Regel von den ausgewählten Reaktionsteilnehmern ab. Typische Katalysatormaterialien zur Oxidation von Wasserstoff- oder Methanol-Brennstoffen schließen jedoch Metalle ein, wie beispielsweise Pd, Pt, Ru, Rh und Legierungen davon. Üblicherweise verwendete Katalysatoren schließen auf Kohlenstoffpartikel geträgertes Platin ein. Zur Verwendung in verschiedenen Typen von Brennstoffzellen und elektrochemischen Reaktoren können unterschiedliche Katalysatoren bevorzugt sein.

Das Trägermaterial (6) wird entsprechend der Darstellung in 2 unter Anwendung eines Stanzprozesses ähnlich demjenigen erzeugt, der zur Erzeugung der mit Rahmen versehenen Komponente der Membranelektrodenbaugruppe angewendet wird. Bei dem Trägermaterial handelt es sich außerdem um eine weitgehend einstückige Struktur mit mindestens einer Öffnung, die durch die Innenkanten des Trägermaterials begrenzt ist. Die Größe der Öffnungen in dem Trägermaterial kann stark variieren und hängt von der Größe des mindestens einen Elementes der mit Rahmen versehenen Komponente der Membranelektrodenbaugruppe ab, um eine ausreichende Haftung zwischen den Materialien zu gewährleisten.

Das Trägermaterial (6) hat eine solche Konfiguration, dass die Löcher in dem Trägermaterial geringfügig kleiner sind als das/die Elemente) (5) der mit Rahmen versehenen Komponente der Membranelektrodenbaugruppe (2), so dass lediglich ein geringer Anteil der Außenkanten des Elementes an dem Trägermaterial befestigt ist, wobei die äußeren Ränder des mindestens einen Elementes sich mit den Innenkanten des Trägermaterials überlappen, wodurch dem mindestens einen Element Stabilität vermittelt wird, nachdem die Brücken entfernt worden sind.

Das zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignete Trägermaterial (6) kann ein thermoplastisches Material oder einen Verbundstoff von thermoplastischen Materialien aufweisen. Ein geeignetes Trägermaterial ist ein solches, das an der GDL, GDE, CCM und PEM haften kann.

Geeignete thermoplastische Materialien zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung schließen die folgenden ein, ohne auf diese beschränkt zu sein: in der Schmelze verarbeitbare Fluorpolymere (d.h. Teflon^® FEP 100 und Teflon^® PFA 340, die beide bei E. I. du Pont de Nemours and Co., Wilmington, DE, verfügbar sind); teilfluorierte Polymere, wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid (spezielle Beispiele dafür sind Kynar^® 710 und Kynar Flex^® 2801, hergestellt von Atofina Chemicals, King of Prussia, PA); thermoplastische Fluorelastomere (d.h. Kalrez^® und Viton^®, die von E. I. du Pont de Nemours and Company, Inc., Wilmington, DE, hergestellt werden); aromatische Kondensationspolymere, wie beispielsweise Polyaryl(etherketone) (d.h. Polyaryl(etherketon), hergestellt von Victrex Manufacturing Limited, Lancashire, Großbritannien); modifiziertes Polyethylen und modifiziertes Polypropylen (d.h. Bynel^® 4105 und Bynel^® 50E561, die beide hergestellt werden von E. I. du Pont de Nemours and Company, Wilmington, DE); Polyethylen (d.h. Sclair^® 2318, hergestellt von NOVA Chemicals Corporation, Calgary, Alberta, Kanada); thermoplastische Elastomere (d.h. Hytrel^®); flüssigkristalline Polymere (d.h. Zenite^® als flüssigkristalliner Polyester) und aromatische Polyamide (d.h. Zytel^® HTN) (die alle verfügbar sind bei E. I. du Pont de Nemours and Company, Wilmington, DE). Vorzugsweise ist das thermoplastische Material Bynel^® 4105.

Der Schmelzpunkt des thermoplastischen Materials sollte vorzugsweise größer sein als die maximale Temperatur, die in den Brennstoffzellen erreichbar ist (d.h. etwa 95°C bei einer direkten Methanol-Brennstoffzelle) und sollte kleiner sein als die Temperatur, der die polymere Elektrolytmembran widerstehen kann (d.h. etwa 150°C bei Nafion^®). Das Material sollte an den verschiedenen GDLs und den polymeren Elektrolytmembranen durch Heißpressen gut haften.

Geeignete thermoplastische Verbundstoffe schließen die vorgenannten thermoplastischen Materialien ein, ohne jedoch auf diese beschränkt zu sein, welche inerte Füllstoffe oder eine verstärkende Lage kapseln, die ein Material aufweisen, wie beispielsweise Fiberglas, Glasgewebe, Kevlar^®-Papier, Kapton^®-Folien (sowohl das Kevlar als auch das Kapton sind beide verfügbar bei der E. I. du Pont de Nemours and Company, Wilmington, DE) und dergleichen. Die verstärkende Lage sollte höheren Temperaturen widerstehen können als dem Schmelzpunkt des thermoplastischen Materials, um den fertigen Teilen Formstabilität und nach Erfordernis elektrische Isolation zu vermitteln.

Das Trägermaterial (6) hat im typischen Fall eine Dicke im Bereich von etwa 25 Mikrometer bis zu einer maximalen Dicke des GDL-Materials unter der bei Anwendungen der Brennstoffzelle auftretenden Druckkraft. Bevorzugt hat das Trägermaterial eine Dicke von etwa 10 Mikrometer bis etwa 125 Mikrometer und noch typischer etwa 25 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer und hat am meisten bevorzugt eine Dicke von etwa 50 Mikrometer.

Das Befestigen des Trägermaterials (6) an der mit Rahmen versehenen Komponente der Membranelektrodenbaugruppe (2) und den Rändern (7) des/der Elementes/Elemente (5) erfolgt im typischen Fall mit Hilfe von Bonding-Methoden, einschließlich Klebbonden und mechanisches Bonden. Das Klebbonden kann durch Zusammenpressen der Teile erfolgen und nach Erfordernis wahlweise unter Anwendung von Wärme, um das Klebmittel zu aktivieren. Die Teile können zwischen wahlweise erhitzten Platten einer hydraulischen oder pneumatischen Presse zusammengepresst werden, zwischen wahlweise erhitzten Walzen einer Laminiermaschine oder während des Transports zwischen den Bändern einer Bandpresse, wobei die Bänder durch wahlweise beheizte und gekühlte Zonen laufen. Ein typischer Verfahrensschritt des Heißpressens kann beispielsweise mit einer 100t-Presse erfolgen (hergestellt von PHI, City of Industry, CA). Die Variablen in den vorstehend beschriebenen Prozessen schließen Druck, Zeit und Temperatur ein, wobei der Durchschnittsfachmann die Einstellungen und geeigneten Werte jeweils in Abhängigkeit von den in dem Prozess zur Anwendung gelangenden Materialien erkennt und versteht. Im typischen Fall ist die Haftung zwischen der mit Rahmen versehenen Komponente der Membranelektrodenbaugruppe und dem Trägermaterial ausreichend, um die nachfolgenden Verarbeitungsschritte ohne Schäden am Zusammenhalt des Trägermaterials oder der mit Rahmen versehenen Komponente der Membranelektrodenbaugruppe zu überstehen.

Wie vorstehend ausgeführt, überlappen beim Befestigen des Trägermaterials mit der mit Rahmen versehenen Komponente der Membranelektrodenbaugruppe, um dem mindestens einen Element im Verlaufe des Verfahrens der vorliegenden Erfindung eine ausreichende Ausrichtung und Stabilität zu vermitteln, die Außenkanten des mindestens einen Elementes bis zu einem gewissen Grad die Innenkanten des Trägermaterials.

Das Abtrennen oder elektrische Isolieren des mindestens einen Elements (5) von den übrigen Elementen, sofern vorhanden, erfolgt im typischen Fall unter Anwendung von Mitteln zum Stanzen, wie beispielsweise ein Stanzwerkzeug, wo die Mehrzahl von Brücken und das daran befestigte Trägermaterial von der mit Rahmen versehenen Elektrodenmembranunterbaugruppe (3) zur Erzeugung von Öffnungen (14) entsprechend der Darstellung in 5 entfernt werden. Allerdings können auch ein Ausstanzen oder andere konventionelle Methoden zur Anwendung gelangen. Alternativ können in Abhängigkeit von den verwendeten Materialien das Trägermaterial sowie die mit Rahmen versehene Komponente der Membranelektrodenbaugruppe Perforationen haben, welche die Entfernung von den Brücken ermöglichen. Obgleich die Brücken entfernt sind, wodurch das mindestens eine Element von den anderen Elementen abgetrennt wird, bleibt das Trägermaterial an der mit Rahmen versehenen Komponente der Membranelektrodenbaugruppe haften oder mit dieser verbunden, wobei die Innenkanten des Trägermaterials die Außenkanten des mindestens einen Elementes überlappen. Dieser Schritt wird sowohl zur Erzeugung der Kathodenseite (9) als auch der Anodenseite (8) des in 5 gezeigten mit Rahmen versehenen MEA-Arrays eingesetzt. Die Größe der Löcher, die in das Trägermaterial und in die mit Rahmen versehene Komponente der Membranelektrodenbaugruppe geschnitten werden, ist so lange nicht entscheidend, wie das mindestens eine Element elektrisch isoliert ist und die mit Rahmen versehene Komponente der Membranelektrodenbaugruppe ihre Form bewahrt, während der äußere Rahmen und mindestens ein Teil des/der Elementes/Elemente an dem Trägermaterial haften oder mit diesem verbunden bleiben.

Ein mit Rahmen versehenes MEA-Array kann zu einer Brennstoffzellengruppe geformt werden, indem a) die äußeren Rahmen (3), die in 5 gezeigt sind, abgetrennt werden; b) eine Dichtung aufgebracht wird, beispielsweise aus Silikonkautschuk (Furan^®-Typ 1007, erhalten von Stockwell Rubber Company), das so zugeschnitten ist, dass es die exponierte Fläche der Membran der MEA bedeckt, indem es auf einer Seite des mit Rahmen versehenen MEA-Arrays aufgesetzt wird (wobei dafür Sorge getragen wird, dass ein Überlappen jedes Elementes (5) und des Dichtungsmaterials vermieden wird); c) das mit Dichtung und Rahmen versehene MEA-Array sandwichartig zwischen Anoden- und Kathoden-Strömungsfeldplatten eingeschlossen ist, die ausgestattet sein können mit einem Anodeneinlass, Anodenauslass, Katholytgas-Einlass, Katholytgas-Auslass, Trennwänden, mit Ankerstäben zusammengezogen oder mit elektrisch isolierenden Klebstoffschichten, und Stromkollektoren aus Metall. Die Elemente (5) des mit Rahmen versehenen MEA-Arrays (dargestellt in 5) können elektrisch auf der Grundlage des Leistungsausganges der beabsichtigten Anwendung in Reihe oder parallel verbunden werden.

Im typischen Fall ist die Brennstoffzellengruppe mit einem Brennstoffzellensystem (nicht gezeigt) verbunden. Das Brennstoffzellensystem weist im typischen Fall eine Luftzuführung zur Verwendung als Katholytgas auf, einen Schaltkasten zur Regulierung des Leistungsausganges von der Brennstoffzelle, Brennstoff, z.B. Methanol, Lösungsbehälter zur Aufnahme der zugeführten Anolythlösung, eine Flüssigkeitspumpe zur Zuführung der Anolythlösung zur Brennstoffzelle mit dem gewünschten Durchsatz, einen Abgasbehälter zur Aufnahme der verbrauchten Anolythlösung und einen Leistungsschalter.

Zum Betrieb des Brennstoffzellsystems wird dieses zunächst auf Betriebstemperatur gebracht und anschließend Brennstoff, wie beispielsweise eine Methanollösung und Luft, in die Anoden- und Kathodenkammern durch Einlässe mit den gewünschten Durchsätzen eingeführt. Der erzeugte Strom fließt durch den externen Lastkreis und macht den elektrischen Kreis vollständig.

Die vorliegende Erfindung kann ausgeführt werden, wie nachfolgend ausführlich erläutert wird und in dem folgenden Beispiel weiter festgelegt wird. Es gilt als selbstverständlich, dass dieses "Beispiel", obgleich bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angegeben werden, lediglich zur Veranschaulichung dient. Aus der vorangegangenen Diskussion und dem vorliegenden Beispiel kann der Fachmann auf dem Gebiet die wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung entnehmen und ohne vom Erfindungsgedanken und der Tragweite der Erfindung abzuweichen, zahlreiche Änderungen und Modifikationen an der Erfindung vornehmen, um sie unterschiedlichen Anwendungen und Bedingungen anzupassen.
PROZEDUR

1. Es wurde 1 Stück einer Anodengasdiffusionsschicht ausgestanzt mit einer Abmessung: 137 mm × 112 mm, indem der in 1 gezeigte Aufbau zur Anwendung kam.
2. Es wurde 1 Stück Kathodendiffusionssschicht ausgestanzt mit einer Abmessung von 137 mm × 112 mm unter Anwendung des in 1 gezeigten Aufbaus.
3. Es wurden 2 Stück Abdeckmaterial ausgestanzt aus Bynel^® 4105-Polymerfolie (137 mm × 112 mm), mit einer Dicke von 0,064 mm, indem der in 2 gezeigte Aufbau angewendet wurde (alternativ 2 Stück Abdeckmaterial, ausgestanzt aus Fiberglasverstärkter Bynel^® 4105-Polymerfolie (137 mm × 112 mm), Dicke etwa 0,06 mm, indem der in 2 gezeigte Aufbau angewendet wurde).
4. Die nachfolgend aufgeführten Artikel wurden zwischen einem Paar Metallplatten einer Dicke von etwa ¼'' (Minimum 160 mm × 130 mm) gestapelt: 1–5 mil Trennfolie aus Teflon^® 1000A. 1 – Anoden-Gasdiffusionsschicht, wobei die der Elektrode zugewandte Seite nach oben zeigt (in Richtung auf die Abdeckung). 1 – Bynel^® 4105-Polymerfolie oder verstärkte Bynel^®-Polymerfolie ausgestanzt nach der Bemessung in 2. 1–5 mil Trennfolie aus Teflon^® 1000A.
5. Die Stapel/Platten wurden in eine auf 130°C vorgeheizte hydraulische Presse gegeben.
6. Auf die Platten wurde für 3,5 min eine Kraft von 6.000 lbf aufgebracht.
7. Unter Aufrechterhaltung der aufgebrachten Kraft wurden die Platten bis auf Raumtemperatur gekühlt. Die anodenseitige und mit Rahmen versehene Membranelektrodenbaugruppe wurde entnommen und beiseite gesetzt.
8. Die nachfolgend aufgeführten Artikel wurden zwischen einem Paar Metallplatten einer Dicke von etwa ¼'' (200 mm × 200 mm) gestapelt: 1–5 mil Trennfolie aus Teflon^® 1000A. 1 – Kathoden-Gasdiffusionsschicht mit der so bemessenen Seite der Elektrode zugewandt (in Richtung auf die Abdeckung). In diesem Beispiel lag die mit einer mikroporösen Lage beschichtete Seite nach oben. 1 – Bynel^® 4105-Polymerfolie oder verstärkte Bynel^®-Polymerfolie ausgestanzt nach der Bemessung in 2. 1–5 mil Trennfolie aus Teflon^® 1000A.
9. Die Stapel/Platten wurden in eine auf 130°C vorgeheizte hydraulische Presse gegeben.
10. Auf die Platten wurde für 3,5 min eine Kraft von 6.000 lbf aufgebracht.
11. Unter Aufrechterhaltung der aufgebrachten Kraft wurden die Platten bis auf Raumtemperatur gekühlt. Die kathodenseitige und mit Rahmen versehene Membranelektrodenunterbaugruppe wurde entnommen und beiseite gesetzt.
12. In die anodenseitig und kathodenseitig mit Rahmen versehene Membranelektrodenunterbaugruppe wurden zur Entfernung der Brücken Löcher gestanzt. Siehe hierzu 5.
13. Die nachfolgend aufgeführten Artikel wurden zwischen einem Paar Metallplatten einer Dicke von etwa ¼'' (200 mm × 200 mm) gestapelt: 1–5 mil Trennfolie aus Teflon^® 1000A. 1 – kathodenseitige mit Rahmen versehene Membranelektrodenunterbaugruppe, wobei die der Elektrode zugewandte Seite nach oben zeigt (in Richtung auf die CCM). In diesem Beispiel wurde die Seite mit dem Bynel^® 4105-Polymer nach oben gelegt. 1 – CCM mit einer Gesamtabmessung von 88 mm × 112 mm und einer Elektrodenfläche, wie sie in 4 gezeigt ist. Die Kathodenseite der CCM muss nach unten liegen. 1 – anodenseitig mit Rahmen versehene Membranelektrodenunterbaugruppe, wobei die der Elektrode zugewandte Seite nach unten zeigt (in Richtung auf die CCM). In diesem Beispiel wurde die Seite mit dem Bynel^® 4105-Polymer nach unten gelegt. 1–5 mil Trennfolie aus Teflon^® 1000A.
13. Die Stapel/Platten wurden in eine auf 165°C vorgeheizte hydraulische Presse gegeben.
14. Auf die Platten wurde für 9 min eine Kraft von 8.000 lbf aufgebracht.
15. Unter Aufrechterhaltung der aufgebrachten Kraft wurden die Platten bis auf Raumtemperatur gekühlt.

ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einzelner oder mehrfacher planarer 5-Lagen-Membranelektrodenbaugruppen unter Nutzung von Array-Baugruppen als auch die Array-Baugruppen selbst, die eine Protonenaustauschmembran (PEM), mit Katalysator beschichtete Membranen (CCM) und Gasdiffusionsschichten (GDL) enthalten, als auch Gasdiffusionselektroden (GDE) zur Verwendung in Brennstoffzellen, wobei das Verfahren praktikabel, effizient und skalierbar ist.

Claims

Verfahren zum Erzeugen mindestens einer mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppe, umfassend: a) Erzeugen mindestens einer Komponente einer mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe, aufweisend einen äußeren Rahmen mit einer Mehrzahl von Brücken, und mindestens eines Elementes mit einer Mehrzahl von Außenkanten, wobei mindestens ein Element mit dem äußeren Rahmen über die Mehrzahl von Brücken verbunden ist, wodurch eine einstückige Struktur erzeugt wird; b) Erzeugen eines Trägermaterials mit einer Mehrzahl von Öffnungen, die durch eine Mehrzahl von Innenkanten begrenzt sind; sowie c) Befestigen des Trägermaterials mit mindestens einer Komponente der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe, wobei der äußere Rahmen und die Mehrzahl von Außenkanten des mindestens einen Elementes von dem Trägermaterial gehalten werden, wodurch mindestens eine mit Rahmen versehene Membranelektrodenbaugruppe erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Komponente der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einer Protonenaustauschmembran, einer Gasdiffusionsschicht, einer Gasdiffusionselektrode und einer katalysatorbeschichteten Membran.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Gasdiffusionselektrode eine Gasdiffusionsschicht und eine Elektrode aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die katalysatorbeschichtete Membran eine Protonenaustauschmembran und eine Elektrode aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Elektrode eine Anode oder Kathode ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Komponente der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe eine Dicke von etwa 150 μm bis etwa 1.000 μm hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Element rechteckig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Trägermaterial ein thermoplastisches Material aufweist, ein thermoplastisches Verbundmaterial oder Mischungen davon.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das thermoplastische Material ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus in der Schmelze verarbeitungsfähigen Fluorpolymeren, Polyvinylidenfluorid, thermoplastischen Fluorelastomeren, aromatischen Kondensationspolymeren, modifiziertem Polyethylen, modifiziertem Polypropylen, Polyethylen, thermoplastischen Elastomeren, flüssigkristallinen Polymeren und aromatischen Polyamiden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das thermoplastische Verbundmaterial mindestens ein thermoplastisches Material aufweist, das einen Füllstoff oder eine verstärkende Schicht enthält, wobei das thermoplastische Material ausgewählt ist aus in der Schmelze verarbeitungsfähigen Fluorpolymeren, Polyvinylidenfluorid, thermoplastischen Fluorelastomeren, aromatischen Kondensationspolymeren, modifiziertem Polyethylen, modifiziertem Polypropylen, Polyethylen, thermoplastischen Elastomeren, flüssigkristallinen Polymeren und aromatischen Polyamiden und wobei der Füllstoff oder das verstärkende Material ausgewählt sind aus der Gruppe von Fiberglas und Glasgewebe.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Trägermaterial eine Dicke im Bereich von etwa 10 μm bis etwa 125 μm hat.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Wiederholen der Schritte (a) bis (c), um zusätzliche, mit Rahmen versehene Membranelektrodenunterbaugruppen zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die mit Rahmen versehene Membranelektrodenunterbaugruppe, die durch Wiederholen der Schritte (a) bis (c) erzeugt wird, eine zu der ersten mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppe komplementäre mit Rahmen versehene Membranelektrodenunterbaugruppe ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: d) Trennen des mindestens einen Elementes von dem äußeren Rahmen, wobei die Brücken und das angebrachte Material entfernt werden; und e) in Kontakt bringen der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppe mit zusätzlichen Komponenten, um ein Array von mit Rahmen versehenen Elektrodenbaugruppen zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Komponente der mindestens einen mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe eine Gasdiffusionsschicht aufweist und die in Schritt (c) erzeugte mit Rahmen versehene Membranelektrodenunterbaugruppe auf einer Seite der katalysatorbeschichteten Membran aufgebracht wird, gefolgt von einem Pressen zur Erzeugung eines mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe-Arrays.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die mindestens eine Komponente der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe eine Gasdiffusionselektrode aufweist und das Array der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe hergestellt wird, indem ein "Sandwich" zusammengepresst wird, das durch die in Schritt (c) erzeugten mit Rahmen versehene Membranelektrodenunterbaugruppen und eine dazwischen angeordnete Ionenaustauschmembran gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die mindestens eine Komponente der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe eine katalysatorbeschichtete Membran aufweist, Schritt (e) dem Schritt (d) vorangeht und Komponenten der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe jeweils eine Gasdiffusionsschicht aufweisen, die auf einer Seite der in Schritt (c) erzeugten mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppen aufgebracht sind, gefolgt von einem Pressen zur Erzeugung des mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe-Arrays.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die mindestens eine Komponente der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe eine Protonenaustauschmembran aufweist, Schritt (e) dem Schritt (d) vorangeht und die Komponenten, die jeweils eine Gasdiffusionselektrode aufweisen, auf einer Seite der in Schritt (c) erzeugten mit Rahmen versehenen Elektrodenbaugruppe aufgebracht sind, gefolgt von einem Pressen zur Erzeugung des mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe-Arrays.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Komponente der mit Rahmen versehenen Elektrodenbaugruppe eine Dicke von etwa 150 μm bis etwa 1.000 μm hat.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das mindestens eine Element rechteckig ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Trägermaterial ein thermoplastisches Material aufweist, ein thermoplastisches Verbundmaterial oder Mischungen davon.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das thermoplastische Material ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus in der Schmelze verarbeitungsfähigen Fluorpolymeren, Polyvinylidenfluorid, thermoplastischen Fluorelastomeren, aromatischen Kondensationspolymeren, modifiziertem Polyethylen, modifiziertem Polypropylen, Polyethylen, thermoplastischen Elastomeren, flüssigkristallinen Polymeren und aromatischen Polyamiden.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das thermoplastische Verbundmaterial mindestens ein thermoplastisches Material aufweist, das einen Füllstoff oder verstärkende Lage enthält, wobei das thermoplastische Material ausgewählt ist aus in der Schmelze verarbeitungsfähigen Fluorpolymeren, Polyvinylidenfluorid, thermoplastischen Fluorelastomeren, aromatischen Kondensationspolymeren, modifiziertem Polyethylen, modifiziertem Polypropylen, Polyethylen, thermoplastischen Elastomeren, flüssigkristallinen Polymeren und aromatischen Polyamiden und wobei der Füllstoff oder das verstärkende Material ausgewählt sind aus der Gruppe von Fiberglas und Glasgewebe.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Trägermaterial eine Dicke im Bereich von etwa 10 μm bis etwa 125 μm hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Mehrzahl von mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppen erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei eine Mehrzahl von mit Rahmen versehenen Membranelektroden-Arrays erzeugt wird.
Mit Rahmen versehene Membranelektrodenunterbaugruppe, die hergestellt wird mit Hilfe eines Verfahrens, umfassend: a) Erzeugen mindestens einer Komponente einer mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe, die einen äußeren Rahmen mit einer Mehrzahl von Brücken aufweist, und mindestens eines Elementes mit einer Mehrzahl von Außenkanten, wobei das mindestens eine Element verbunden ist mit dem äußeren Rahmen über eine Mehrzahl von Brücken, wodurch eine einstückige Struktur erzeugt wird; b) Erzeugen eines Trägermaterials mit einer Mehrzahl von Öffnungen, die durch eine Mehrzahl von Innenkanten begrenzt sind; c) Befestigen des Trägermaterials mit der mindestens einen Komponente der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe, wobei der äußere Rahmen und die Mehrzahl von Außenkanten des mindestens einen Elements von dem Trägermaterial gehalten werden, wodurch mindestens eine mit Rahmen versehene Membranelektrodenunterbaugruppe erzeugt wird.
Mit Rahmen versehene Membranelektrodenunterbaugruppe nach Anspruch 27, wobei die Komponente der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einer Protonenaustauschmembran, einer Gasdiffusionsschicht, einer Gasdiffusionselektrode und einer katalysatorbeschichteten Membran.
Mit Rahmen versehenes Membranelektrodenunterbaugruppen-Array, aufweisend eine mit Rahmen versehene Membranelektrodenunterbaugruppe, die hergestellt wird mit Hilfe eines Verfahrens, umfassend: a) Erzeugen mindestens einer Komponente einer mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe, die einen äußeren Rahmen mit einer Mehrzahl von Brücken aufweist, und mindestens eines Elementes mit einer Mehrzahl von Außenkanten, wobei das mindestens eine Element verbunden ist mit dem äußeren Rahmen über eine Mehrzahl von Brücken, wodurch eine einstückige Struktur erzeugt wird; b) Erzeugen eines Trägermaterials mit einer Mehrzahl von Öffnungen, die durch eine Mehrzahl von Innenkanten begrenzt sind; c) Befestigen des Trägermaterials mit der Komponente der mindestens einen mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe, wobei der äußere Rahmen und die Mehrzahl von Außenkanten des mindestens einen Elements von dem Trägermaterial gehalten werden, wodurch mindestens eine mit Rahmen versehene Membranelektrodenunterbaugruppe erzeugt wird.
Brennstoffzelle, aufweisend eine Membranelektrodenbaugruppe, erzeugt mit Hilfe des Verfahrens nach Anspruch 14.
Brennstoffzelle nach Anspruch 30, wobei der Rahmen entfernt ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 30, wobei das Verfahren zum Herstellen der Membranelektrodenbaugruppe ferner umfasst: d) Trennen des mindestens einen Elementes von dem äußeren Rahmen, wobei die Brücken und das daran angebrachte Material entfernt werden; und e) in Kontakt bringen der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppe mit zusätzlichen Komponenten, um ein mit Rahmen versehenes Elektrodenbaugruppen-Array zu erzeugen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 32, wobei die mindestens eine Komponente der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe eine Gasdiffusionsschicht aufweist und die in Schritt (c) erzeugte mit Rahmen versehene Membranelektrodenbaugruppe auf einer Seite einer katalysatorbeschichteten Membran aufgebracht wird, gefolgt von einem Pressen zur Erzeugung des mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe-Arrays.
Brennstoffzelle nach Anspruch 32, wobei die mindestens eine Komponente der mindestens einen mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe eine Gasdiffusionselektrode aufweist und ein mit Rahmen versehenes Membranelektrodenbaugruppe-Array hergestellt wird, indem ein Sandwich zusammengepresst wird, das durch in Schritt (c) erzeugten mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppen und einer dazwischen befindlichen Ionenaustauschmembran gebildet wird.
Brennstoffzelle nach Anspruch 32, wobei die mindestens eine Komponente der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe eine katalysatorbeschichtete Membran aufweist, Schritt (e) dem Schritt (d) vorangeht und die Komponenten der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe, die jeweils eine Gasdiffusionsschicht aufweisen, auf einer Seite der in Schritt (c) erzeugten, mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppe aufgebracht werden, gefolgt von einem Zusammenpressen zum Erzeugen des mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe-Arrays.
Brennstoffzelle nach Anspruch 32, wobei die mindestens eine Komponente der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe eine Protonenaustauschmembran aufweist, Schritt (e) dem Schritt (d) vorangeht und die Komponenten der mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe, die jeweils eine Gasdiffusionselektrode aufweisen, auf einer Seite der in Schritt (c) erzeugten, mit Rahmen versehenen Membranelektrodenunterbaugruppe aufgebracht werden, gefolgt von einem Zusammenpressen zum Erzeugen des mit Rahmen versehenen Membranelektrodenbaugruppe-Arrays.