DE10392800B4

DE10392800B4 - Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung einer PEM- oder einer SPE-Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10392800B4
Application number: DE10392800T
Authority: DE
Inventors: Susan G. Yan
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-06-13
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2023-06-12
Also published as: JP2006513527A; AU2003237991A1; US6933003B2; DE10392800T5; JP4746317B2; CA2488908C; CN100385721C; WO2003107468A1; US20030232714A1; CN1675787A; CA2488908A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung (12) einer PEM- oder einer SPE-Brennstoffzelle (10), bei dem:
– ein metallisches nicht poröses Substrat (72) vorgesehen wird;
– eine Aufschlämmung mit einem innenleitenden Material, einem elektrisch leitenden Material, einem Katalysator und einem Lösemittel gebildet wird;
– in einem Aufbringschritt die Aufschlämmung auf das nicht poröse Substrat (72) aufgebracht wird;
– die aufgebrachte Aufschlämmung in einem Trocknungsschritt, unter Ausbildung einer Elektrode, getrocknet wird, um eine Abziehlage (42, 44) zu bilden; und
– die Abziehlage (42, 44) mit einer PEM- oder SPE-Membran (46) in einem Verbindungsschritt verbunden wird;
dadurch gekennzeichnet, dass
das metallische nicht poröse Substrat (72) mit einer Dicke zwischen 0,03 Millimeter und 0,13 Millimeter vorgesehen wird, wodurch das Substrat (72) in einem Ablöseschritt beim Ablösen von der Abziehlage (42, 44) in einem unbeschädigten Zustand bleibt und somit in dem Verfahren wiederverwendbar ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung einer PEM- oder einer SPE-Brennstoffzelle.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Elektrochemische Zellen sind für viele Anwendungen, insbesondere wenn sie als Brennstoffzellen betrieben werden, geeignet. Brennstoffzellen sind für viele Anwendungen vorgeschlagen worden, wie zum Beispiel für elektrische Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren. Eine Brennstoffzellenkonstruktion verwendet eine Festpolymerelektrolytmembran (SPE-Membran) oder Protonenaustauschmembran (PEM), um einen Ionenaustausch zwischen der Anode und Kathode vorzusehen. Gasförmige und flüssige Brennstoffe sind in den Brennstoffzellen verwendbar. Beispiele umfassen Wasserstoff und Methanol, wobei Wasserstoff bevorzugt wird. Wasserstoff wird an die Anode der Brennstoffzelle geliefert. Sauerstoff (als Luft) stellt das Zellenoxidationsmittel dar und wird an die Kathode der Zelle geliefert. Die Elektroden sind aus porösen leitenden Materialen gebildet, wie beispielsweise Graphitgewebe, mit Graphit beschichtete Lagen oder Kohlepapier, um zu ermöglichen, dass der Brennstoff über die Oberfläche der Membrane, die zu der Brennstoff versorgungselektrode weist, verteilt wird. Eine typische Brennstoffzelle ist in dem US 5,272,017 A und dem US 5,316,871 A Swathirajan et al.) beschrieben.
Wichtige Aspekte einer Brennstoffzelle umfassen Reaktionsoberflächen, an denen elektrochemische Reaktionen stattfinden, Katalysatoren, die derartige Reaktionen katalysieren, innenleitende Medien wie auch Massentransportmedien. Die Kosten der durch eine Brennstoffzelle erzeugten Leistung sind teilweise abhängig von den Kosten zur Herstellung von Elektroden und Membranelektrodenanordnungen (MEA). Die Kosten der durch eine Brennstoffzelle erzeugten Leistung sind größer als konkurrierende Leistungserzeugungsalternativen, teilweise aufgrund der Kosten zur Herstellung derartiger Elektroden und MEAs. Jedoch besteht der Wunsch nach Leistung, die durch auf Wasserstoff basierende Brennstoffzellen erzeugt wird, da Wasserstoff vom Umweltaspekt her akzeptabel ist und Wasserstoff-Brennstoffzellen effizient sind.
Die US 6,391,486 B1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung, wobei eine Abziehlage aus einer Aufschlämmung mit einem innenleitenden Material, einem elektrisch leitenden Material, einem Katalysator und einem Lösemittel auf ein Teflon^® Substrat aufgebracht wird, die Abziehlage mit einer Membran verbunden wird, und wobei das Substrat von der Abziehlage abgelöst wird.
Die US 6,180,163 B1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung, wobei die Elektroden direkt auf die Membran aufgebracht werden.
Die US 5,230,849 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung, wobei eine erste Elektrode auf ein Substrat aufgebracht wird, eine Membran auf die erste Elektrode aufgebracht wird, und wobei eine zweite Elektrode auf die Membran aufgebracht wird. Danach wird die Membranelektrodeanordnung von dem Substrat entfernt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellung derartiger Anordnungen zu verbessern wie auch die Kosten zu verringern und Brennstoffzellen für Beförderungsanwendungen attraktiver zu machen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 12.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine schematische Darstellung einer nicht zusammengebauten elektrochemischen Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodenanordnung ist, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellt ist;
2 eine Darstellung eines Schnitts einer Membranelektrodenanordnung von 1 ist;
3 eine Darstellung ähnlich zu 2 einer anderen Membranelektrodenanordnung mit Graphitlagen ist;
4 eine Darstellung ist, die eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der Kathodenseite der Membranelektrodenanordnung von 2 zeigt;
5 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 eine Darstellung ist, die die Elektrodenschicht auf dem Metallfoliensubstrat während eines Schritts des Verfahrens von 5 zeigt;
7 eine Darstellung der Membranelektrodenanordnung ist, die die Anoden-, die Membran-, die Kathoden- und die Substratlagen während eines Schrittes des Verfahrens von 5 zeigt;
8 eine Darstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Zusammenbauen einer Membranelektrodenanordnung gemäß eines kontinuierlichen Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist; und
9 das Zellenpotenzial als eine Funktion der Stromdichte für bestimmte Membranelektrodenanordnungen, die durch das Verfahren von 5 ausgebildet sind, im Vergleich zu Membranelektrodenanordnungen zeigt, die unter Verwendung von ePFTE als Abziehlagensubstrate hergestellt sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Erfindung ist auf eine Ausbildung von Elektroden und Membranelektrodenanordnungen zur Verwendung in Brennstoffzellen gerichtet. Vor der detaillierteren Beschreibung der Erfindung werden die Grundelemente einer Brennstoffzelle und der Komponenten der Membranelektrodenanordnung beschrieben. In 1 ist eine elektrochemische Zelle 10 mit einer darin enthaltenen Membranelektrodenanordnung 12 in nicht zusammengebauter Form gezeigt. Die gezeigte elektrochemische Zelle 10 ist als eine Brennstoffzelle aufgebaut. Die elektrochemische Zelle 10 umfasst Endplatten 14, 16 aus rostfreiem Stahl, Graphitblöcke 18, 20 mit Öffnungen 22, 24, um eine Gasverteilung zu erleichtern, Dichtungen 26, 28, Stromkollektoren 30, 32 aus Kohlenstoffgewebe mit jeweiligen Verbindungen 31, 33 und die Membranelektrodenanordnung 12 einschließlich des Elektrolyten. Die beiden Sätze von Graphitblöcken, Dichtungen und Stromkollektoren, nämlich 18, 26, 30 und 20, 28, 32 sind jeweils als jeweilige Gas- und Stromtransportmittel 36, 38 bezeichnet. Die Anodenverbindung 31 und die Kathodenverbindung 33 werden dazu verwendet, eine Verbindung mit einer externen Schaltung herzustellen, die andere Brennstoffzellen umfassen kann.
Die elektrochemische Brennstoffzelle 10 umfasst gasförmige Reaktanden, von denen einer ein Brennstoff ist, der von einer Brennstoffquelle 37 geliefert wird, und der andere ein Oxidationsmittel ist, das von einer Quelle 39 geliefert wird. Die Gase von den Quellen 37, 39 diffundieren durch jeweilige Gas- und Stromtransportmittel 36 und 38 auf gegenüberliegenden Seiten der MEA 12. Die Stromtransportmittel 36 und 38 werden auch als elektrisch leitendes Gasverteilungsmedium bezeichnet.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst eine Membranelektrodenanordnung 12, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, poröse Elektroden 40, die eine Anode 42 auf der Brennstoffseite und eine Kathode 44 auf der Sauerstoffseite bilden. Die Anode 42 ist von der Kathode 44 durch eine Festpolymerelektrolytmemb ran 46 (SPE-Membran) getrennt. Die SPE-Membran 46 sorgt für einen Ionentransport, um Reaktionen in der Brennstoffzelle 10 zu erleichtern. Die Elektroden 42, 44 sehen eine Protonenübertragung durch engen Kontakt zwischen der Elektrode 42, 44 und der Ionomermembran 46 vor, um einen im Wesentlichen kontinuierlichen Polymerkontakt für eine derartige Protonenübertragung auszubilden. Demgemäß besitzt die Membranelektrodenanordnung 12 der Zelle 10 eine Membran 46 mit voneinander beabstandeten ersten und zweiten gegenüberliegenden Flächen 50, 52, und einem Dicken- oder einem Zwischenmembranbereich 53 zwischen den Flächen 50, 52. Jeweilige Elektroden 40, nämlich Anode 42 und Kathode 44, sind gut an die Membran 46 an einer entsprechenden der Flächen 50, 52 angehaftet.
In 3 umfasst eine andere MEA, die gemäß dem Prozess der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, jeweilige Elektroden 40 (Anode 42, Kathode 44), die ferner jeweilige erste und zweite mit Teflon versehene (mit Polytetrafluorethylen beschichtet, imprägniert) Graphitlagen 80, 82 an jeweiligen Seiten der Membran 46 umfassen. (3) Das aktive Material der Anode ist zwischen der ersten Fläche 50 der Membran und der ersten Lage 80 angeordnet, und das aktive Kathodenmaterial ist zwischen der zweiten Fläche 52 und der zweiten Lage 82 angeordnet. Jede mit Teflon versehene Lage 80, 82 besitzt eine Dicke von 7,5 bis 13 Milli-Inch.
Die Festpolymerelektrolytmembran 46 (SPE-Membran) der vorliegenden Erfindung ist in der Technik gut als ein ionenleitendes Material bekannt. Typische SPE-Membrane sind in US 4,272,353 A und US 3,134,697 A und in dem Journal of Power Sources, Band 29 (1990), S. 367–387 beschrieben.
Die SPE-Membrane oder -Lagen sind Ionentauscherharzmembrane. Die Harze umfassen Ionengruppen in ihrer Polymerstruktur, wobei eine Ionenkomponente an der Polymermatrix fixiert oder von dieser gehalten wird, und zumindest eine andere Ionenkomponente ein mobiles austauschbares Ion ist, das elektrostatisch mit der fixierten Komponente in Verbindung steht. Die Fähigkeit des mobilen Ions, unter bestimmten Bedingungen gegen andere Ionen ausgetauscht werden zu können, verleiht diesen Materialien die Ionentauschereigenschaften.
Die Ionentauscherharze können dadurch ausgebildet werden, dass eine Mischung aus Bestandteilen, von denen einer einen Ionenbestandteil umfasst, polymerisiert wird. Eine breite Klasse von protonenleitenden Kationentauscherharzen ist das sogenannte Sulfonsäure-Kationentauscherharz. Bei den Sulfonsäuremembranen sind die Kationen-Ionentauschergruppen hydrierte Sulfonsäureradikale, die durch Sulfonierung an der Polymerhauptkette angebracht sind.
Die Ausbildung dieser Ionentauscherharze in Membrane oder Lagen ist in der Technik ebenfalls gut bekannt. Der bevorzugte Typ ist ein Elektrolyt aus perfluoriertem sulfoniertem Polymer bzw. ein Elektrolyt aus perfluoriertem Sulfonsäurepolymer, in dem die gesamte Membranstruktur Ionentauschereigenschaften besitzt. Diese Membrane sind kommerziell erhältlich, und ein typisches Beispiel einer kommerziell erhältlichen Membran aus protonenleitendem sulfoniertem Perfluorkohlenwasserstoff wird von E. I. DuPont de Nemours & Co. mit der Handelsbezeichnung Nafion vertrieben. Andere werden von Asahi Glass und Asahi Chemical Company vertrieben. Derartige protonenleitende Membranen sind beispielsweise durch Monomere der folgenden Strukturen gekennzeichnet: CF₂ = CFOCF₂CF₂SO₃H und CF₂ = CFOCF₂CF(CF₃)OCF₂SO₃H
In der elektrochemischen Brennstoffzelle 10 der vorliegenden Erfindung ist die Membran 46 eine für Kationen durchlässige, protonenleitende Membran mit H⁺-Ionen als dem mobilen Ion. Das Brennstoffgas ist Wasserstoff und das Oxidationsmittel ist Sauerstoff oder Luft. Die Gesamtzellenreaktion ist die Oxidation von Wasserstoff in Wasser, und die jeweiligen Reaktionen an der Anode 42 und Kathode 44 sind wie folgt: H₂ = 2H⁺ + 2e ½O₂ + 2H⁺ + 2e = H₂O
Da Wasserstoff als das Brennstoffgas verwendet wird, ist das Produkt der Gesamtzellenreaktion Wasser. Typischerweise wird das Produktwasser an der Kathode 44 abgegeben, die die Elektrode 40 auf der Sauerstoffseite darstellt. Typischerweise entweicht dann Wasser durch einfachen Abfluss oder durch Verdunstung. Jedoch können ggf. auch Mittel vorgesehen sein, um das Wasser zu sammeln, wenn es gebildet wird, und dieses von der Zelle 10 weg zu tragen.
Ein gutes Wassermanagement in der Zelle 10 erlaubt einen erfolgreichen Langzeitbetrieb der elektrochemischen Brennstoffzelle 10. Räumliche Schwankungen des Wassergehaltes in der Polymerelektrolytmembran 46 einer stromführenden Brennstoffzelle 10 resultieren aus einem elektroosmotisch bewirkten Mitreißen von Wasser mit dem Protonentransport (H⁺-Transport) von der Anode 42 zu der Kathode 44, der Erzeugung von Wasser durch die Sauerstoffreduktionsreaktion an der Kathode 44, die Befeuchtungsbedingungen des Einlassgasstroms, und einer "Rückdiffusion" von Wasser von der Kathode 44 zu der Anode 42. Wassermanagementtechniken wie auch Konstruktionen der Zelle 10, die damit in Verbindung stehen, sind in den U.S. Patenten Nrn. 5,272,017 ('017) und 5,316,871 ('871) beschrieben, die hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen sind. Obwohl das Wassermanagement für den Betrieb der Brennstoffzelle 10 einen wichtigen Aspekt darstellt, ist es gleichermaßen wichtig, eine gute Verteilung und Bewegung des Brennstoffs und des Oxidationsmittels durch die Elektroden 40 zu erreichen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es wichtig, eine Elektrode 40 mit einer relativ homogenen porösen Struktur zu haben, die eine gute bauliche Beständigkeit besitzt.
Es werden Katalysatorabziehlagen aus einer oder mehreren getrockneten Schichten einer Katalysatoraufschlämmung gebildet, wie nachfolgend beschrieben ist. Die Katalysatorabziehlagen umfassen Kohlenstoff- und Katalysatorverteilungen und -beladungen gemäß den Anforderungen der Wasserstoffoxidations- und Sauerstoffreduktionsreaktionen, die in der Brennstoffzelle 10 stattfinden. Zusätzlich wird eine effektive Protonenübertragung dadurch vorgesehen, dass Elektroden 40 in die Membran 46 eingebettet werden. Demgemäß besitzt die Membranelektrodenanordnung 12 der Zelle 10 eine Membran 46 mit voneinander beabstandeten ersten und zweiten gegenüberliegenden Flächen 50, 52 und einem Dicken- oder einem Zwischenmembranbereich 53 zwischen den Flächen 50, 52. Jeweilige Elektroden 40, nämlich die Anode 42 und die Kathode 44, sind an der Membran 46 an einer entsprechenden der Flächen 50, 52 gut angehaftet. Eine gute Porosität wie auch bauliche Beständigkeit der Elektroden 40 erleichtert die Ausbildung der Membranelektrodenanordnung 12.
Wie in 4 gezeigt ist, ist jede der Elektroden 40 aus einer entsprechenden Gruppe fein geteilter Kohlenstoffpartikel 60 gebildet, die sehr fein geteilte katalytische Partikel 62 und ein protonenleitendes Material 64, das mit den Partikeln vermischt ist, tragen. Es sei angemerkt, das die Kohlenstoffpartikel 60, die die Anode 42 bilden, sich von den Kohlen stoffpartikeln 60 unterscheiden können, die die Kathode 44 bilden. Zusätzlich kann sich die Katalysatorbeladung an der Anode 42 von der Katalysatorbeladung an der Kathode 44 unterscheiden. Obwohl sich die Eigenschaften der Kohlenstoffpartikel und der Katalysatorbeladung für die Anode 42 und Kathode 44 unterscheiden können, ist der grundsätzliche Aufbau der beiden Elektroden 40 ansonsten im Allgemeinen ähnlich, wie in dem vergrößerten Abschnitt von 4, der aus 2 entnommen ist, zu sehen ist.
Um einen kontinuierlichen Pfad zum Leiten von H^±-Ionen an den Katalysator 62 zur Reaktion vorzusehen, wird das protonen(kationen-)leitende Material 64 über jede der Elektroden 40 hinweg verteilt, mit den Kohlenstoffpartikeln 60 und katalytischen Partikeln 62 gemischt und in einer Vielzahl der Poren angeordnet, die durch die katalytischen Partikel definiert sind. Zusätzlich ist in 4 zu sehen, dass das protonenleitende Material 64 Kohlenstoffpartikel 60 und katalytische Partikel 62 umschließt.
Die Kohlenstoffpartikel definieren Poren, von denen einige innere Poren in der Form von Löchern in den Kohlenstoffpartikeln 60, 62 sind und andere Poren Spalte zwischen benachbarten Kohlenstoffpartikeln darstellen. Die Innenporen werden auch als Mikroporen bezeichnet, die allgemein einen Äquivalenzradius (eine Äquivalenzgröße) kleiner als etwa 2 Nanometer (nm) besitzen. Die Außenporen werden auch als Mesoporen bezeichnet, die einen Äquivalenzradius (eine Äquivalenzgröße) über etwa 2 Nanometer und bis zu etwa 20 Nanometer besitzen. Die Gesamtoberfläche, die in einer Masse bzw. Menge von Kohlenstoffpartikeln vorhanden ist, wird als BET-Oberfläche bezeichnet, die in m²/gm ausgedrückt wird. Die BET-Oberfläche berücksichtigt sowohl Mesoporen als auch Mikroporen, die in der Menge vorhanden sind. Die hier verwendeten Begriffe "Pore" und "Poren" betreffen sowohl Mesoporen als auch Mikroporen und betreffen ebenfalls sowohl Innen- als auch Außenporen, sofern es nicht anders angegeben ist.
Die Membranelektrodenanordnung 12 weist eine effiziente Gasbewegung und -verteilung auf, um einen Kontakt zwischen den Reaktanden, d. h. Brennstoff und Oxidationsmittel, und dem Katalysator zu maximieren. Dieser Bereich ist eine poröse, mit Katalysator versehene Schicht, die die Elektroden 40, 70 bildet und Katalysatorpartikel 62, Partikel aus elektrisch leitendem Material 60 und Partikel aus innenleitendem Material 64 umfasst. Die getrocknete poröse, mit Katalysator versehene Schicht ist eine Abziehlage, sobald das Lösemittel entfernt worden ist, die dann die Elektrode 40 bildet. Die drei Kriterien, die eine gute Elektrode 40 kennzeichnen, sind ein Gaszugang zu der Katalysatorlage, eine elektrische Kontinuität wie auch ein Protonenzugang zu dem Ionomer. Ein typisches Ionomer ist ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer, und ein typisches Ionomer, das zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung 12 verwendet wird, ist Nafion.
Wie in dem Flussschaubild von 5 gezeigt ist, umfasst ein Prozess der vorliegenden Erfindung die Herstellung der Katalysatoraufschlämmung, wie mit 100 gezeigt ist. Die Katalysatoraufschlämmung wird oftmals als eine Tinte bezeichnet und diese Begriffe werden hier gegenseitig austauschbar verwendet. Der Begriff "Mischung", der hier verwendet ist, betrifft eine Kombination aus Substanzen, die miteinander vermengt worden sind, und dient dazu, entweder eine Mischung, eine Aufschlämmung oder eine Lösung abzudecken. Der Begriff "Aufschlämmung" betrifft eine Mischung, in der einiges suspendiertes und ungelöstes Material in einer kontinuierlichen Fluidphase, gewöhnlich einer flüssigen Phase, vorhanden ist, und die Flüssigkeit in der flüssigen Phase allgemein ein Lösemittel ist. Der Begriff "Lösung" betrifft eine Mischung, in der ein löslicher Stoff in einem Lösemittel gelöst ist, wodurch eine einzelne Phase gebildet wird, die zwei oder mehr verschiedene Substanzen enthält. Die Katalysatoraufschlämmung wird anfänglich als eine Lösung eines protonenleitenden Polymers, das hier als ein Ionomer (beispielsweise Nafion) bezeichnet ist, mit Partikeln aus elektrisch leitendem Material, typischerweise Kohlenstoff, und Partikeln aus Katalysator hergestellt.
Das elektrisch leitende Material, beispielsweise Kohlenstoff, ist typischerweise der Katalysatorträger der Aufschlämmung, und der Katalysator ist typischerweise ein Metall. Somit besteht die Katalysatorschichtdispersion aus einer Mischung des Edelmetallkatalysators, der auf Kohlenstoff mit hoher Oberfläche, wie beispielsweise Vulcan XC-72 getragen ist, und einer Ionomerlösung, wie beispielsweise Nafion (DuPont Fluoroproducts, NC), in einem Lösemittel. Bevorzugte Katalysatoren umfassen Metalle, wie beispielweise Platin (Pt), Palladium (Pd); und Mischungen von Metallen Pt und Molybdän (Mo), Pt und Kobalt (Co), Pt und Ruthenium (Ru), Pt und Nickel (Ni) und Pt und Zinn (Sn). Das Ionomer wird typischerweise in einem Lösemittel nach Wahl und mit der gewünschten anfänglichen Konzentration bezogen, und es wird zusätzliches Lösemittel hinzugesetzt, um die Ionomerkonzentration auf eine gewünschte Konzentration bzw. Sollkonzentration in der Aufschlämmung einzustellen. Die Aufschlämmung enthält optional Polytetrafluorethylen. Der Katalysator wie auch der Katalysatorträger werden in der Aufschlämmung durch Techniken dispergiert, wie beispielsweise Ultraschallbehandlung oder Mahlen in Kugelmühlen. Die durchschnittliche Agglomeratgröße in einer typischen Aufschlämmung liegt im Bereich von 50 bis 500 nm. Durch Aufschlämmungen, die durch andere Dispergierungstechniken hergestellt werden, wird aufgrund des Unterschieds in dem Bereich von Partikelgrößen, die hergestellt werden, eine geringfügige Abweichung des Verhaltens bzw. der Leistungsfähigkeit bewirkt.
Die Ausbildung der Katalysatoraufschlämmung betrifft die Größenordnung von 1 Gramm von 5 bis 80 Gew.-% katalytisch aktivem Material auf Kohlenstoff, beispielsweise Pt auf Kohlenstoff, und die Größenordnung von 8 Gramm von 1 bis 30 Gew.-% Ionomerlösung mit einem Lösemittel. Die Katalysatorbeladung, Gew.-% auf Kohlenstoff, wird gemäß dem Bedarf und den Anforderungen einer spezifischen Anwendung gewählt. Das Gewichtsverhältnis von Ionomer zu Kohlenstoff liegt bevorzugt im Bereich von 0,20:1 bis 2,0:1 und in einem bevorzugteren Bereich von 0,25:1 bis 1:1.
In der Aufschlämmung liegt das Verhältnis von Feststoffen zu Flüssigkeiten bevorzugt im Bereich von 0,15:1 bis 0,35:1, d. h. 13 Gew.-% bis 27 Gew.-% Feststoffe in der Aufschlämmung. Ein bevorzugterer Bereich liegt bei 0,2:1 bis 0,3:1 oder 16 Gew.-% bis 23 Gew.-% Feststoffe in der Aufschlämmung. Für die gegebenen Spezifikationen macht das Lösemittel etwa 80% des Aufschlämmungsgewichtes aus, und der Katalysator, das Ionomer wie auch der Kohlenstoff machen die verbleibenden 20% aus. Verfügbare Lösemittel umfassen Alkohole, beispielsweise Isopropanol und normales Propanol, Ethanol, Methanol, Wasser oder eine Mischung aus Wasser und Alkoholen. Es ist sehr bevorzugt, dass die Lösemittel bei Raumtemperatur verdunsten können.
Der Prozess betrifft als nächstes die Beschichtung der Katalysatoraufschlämmung auf ein Substrat, das eine ausreichende bauliche Beständigkeit besitzt, so dass es wiederverwendbar ist, wie bei 102 gezeigt ist. Das Substrat ist ein nicht poröses Metalllagenmaterial. Das nicht poröse Substrat kann aus einem beliebigen geeigneten Material bestehen. Das nicht poröse Metallsubstrat ist bevorzugt aus einem Metall hergestellt, das aus der Gruppe gewählt ist, die Aluminium, Kupfer, Gold, Nickel, Platin, Silber, rostfreien Stahl, Titan und Zinn umfasst; und bevorzugter Aluminium, Nickel, rostfreien Stahl, Titan und Zinn umfasst, und wobei noch bevorzugter das Substrat aus Aluminium hergestellt ist.
Das nicht poröse Metallsubstrat ist dick genug, so dass es bei dem Prozess nicht beschädigt wird (wenn es beispielsweise den Temperaturen, Drücken und Bearbeitungsschritten ausgesetzt wird, die hier offenbart sind). Von einigen bisherigen Substraten ist es beispielsweise bekannt, dass sie sich im Gegensatz zu den nicht porösen metallischen Substraten der vorliegenden Erfindung während des Schrittes zum Ablösen der Abziehlage verformend dehnen. Bevorzugt verformt bzw. verfaltet sich das nicht poröse Metallsubstrat aufgrund des Prozesses zur Ausbildung von Membranelektrodenanordnungen nicht. Umgekehrt ist das nicht poröse Metallsubstrat nicht so dick, als dass es nicht möglich wäre, das Substrat von der Membranelektrodenanordnung nach seiner Bildung abzulösen. Das nicht poröse Metallsubstrat ist eine Metalllage mit einer Dicke, die zumindest etwa 0,03 Millimeter und bevorzugter zumindest etwa 0,06 Millimeter beträgt. Das Substrat besitzt eine Dicke, die kleiner als etwa 0,13 Millimeter und bevorzugter kleiner als etwa 0,09 Millimeter ist.
Ein Anteil der baulichen Beständigkeit des Metallsubstrates kann dadurch vorgesehen werden, dass ein relativ dünnes Metalllagenmaterial oder eine relativ dünne Metallfolie auf ein anderes Lagenmaterial laminiert wird. Selbst in solchen Fällen besitzt das Metalllagenmaterial eine ausreichende bauliche Beständigkeit, so dass es während des Prozes ses zur Ausbildung der Membranelektrodenanordnung nicht beschädigt wird, und so dass das Laminat wieder verwendet werden kann. Beispielsweise entwickelt das Metalllagenmaterial eines derartigen laminierten Substrats bevorzugt keine Brüche oder verliert kein Material aufgrund des Prozesses zur Ausbildung der Membranelektrodenanordnung.
Das nicht poröse Substrat ist auch metallisch, was die Wiederverwendbarkeit des Substrates weiter erleichtert. Zusätzlich können aufgrund ihrer nicht porösen Beschaffenheit die Komponenten der Aufschlämmung nicht in die Poren des Substrates einsickern. Da keine Komponenten aus den Substratporen zwischen den Anwendungen entfernt werden müssen, ist das Substrat leicht wieder verwendbar. Beispielsweise kann die Substratoberfläche zwischen den Anwendungen einfach unter Verwendung eines Lösemittels durch Wischen gereinigt werden. Das bzw. die Lösemittel, die bevorzugt verwendet werden, um das Substrat zwischen den Anwendungen zu reinigen, sind identisch zu den oben beschriebenen Lösemitteln.
Aufgrund der baulichen Beständigkeit des nicht porösen Metallsubstrats können die Ränder (beispielsweise die Ecken) des Sub strates so starr sein, dass sie die SPE-Membran beschädigen können, wenn sie mit dieser ungeeignet bzw. falsch in Kontakt kommen. Dieser falsche Kontakt resultiert in einem Schaden an der Membranelektrodenanordnung, wie beispielsweise einem Durchstechen der SPE. Somit ist es auch bevorzugt, dass die Abmessungen des Substrates so ausgebildet sind, dass die Ränder während der Bearbeitung von der SPE-Membran fern gehalten werden. Ähnlicherweise ist es bevorzugt, dass das nicht poröse Metallsubstrat derart gehandhabt wird, dass kein falscher Kontakt mit der SPE-Membran während der Bearbeitung auftreten kann.
Die hergestellte Katalysatoraufschlämmung wird auf das nicht poröse Metallsubstrat 72 beschichtet, wie bei 102 gezeigt ist. Beispielsweise wird die Katalysatoraufschlämmung auf das Metallsubstrat in einer oder mehr Schichten ausgebreitet und bei 104 getrocknet, um eine Abziehlage mit einer vorgewählten Konzentration an Katalysator zu bilden. Die Katalysatoraufschlämmung wird auf das Substrat durch eine beliebige Beschichtungstechnik aufgebracht, beispielsweise durch Druckprozesse oder Sprühbeschichtungsprozesse. Bevorzugte Prozesse sind Siebdrucken oder Mayer-Rod-Beschichten. Das Mayer-Rod-Beschichten, das auch als Beschichten mit einer Zumessstange bekannt ist, ist in der Technik der Siebdruck- oder Beschichtungsprozesse gut bekannt. Durch das Mayer-Rod-Beschichten werden Beschichtungen mit Dicken im Bereich von 3 bis 25 μm oder höher leicht erhalten und auf dem Substrat getrocknet. In 6 ist unter Bezugnahme auf 5 ein vergrößerter Querschnitt einer Abziehlage der getrockneten Katalysatorschicht 70 auf dem Substrat 70 gezeigt.
Die Katalysatorschicht 70 wird, wie bei 104 gezeigt ist, getrocknet. Die Schicht 70 trocknet durch Verdunstung von Lösemittel aus der Katalysatorschicht 70. Abhängig von den Lösemitteln in der Aufschlämmung wird die aufgebrachte Aufschlämmung bei Temperaturen im Bereich von Raumtemperatur bis 100°C getrocknet und Lösemittel davon entfernt. Um das Trocknen zu erleichtern, können Infrarotlampen verwendet werden. Das Trocknen kann auch unter Zuhilfenahme eines Vakuums ausgeführt werden. Das Trocknen wird alternativ dazu in zwei Schritten ausgeführt. Unmittelbar nach dem Beschichten werden die Abziehlagen bei 25°C für eine gewisse Zeitperiode getrocknet. Typischerweise liegt diese anfängliche Trocknungszeit zwischen etwa 10 Minuten und etwa 20 Minuten. Anschließend kann die Abziehlage dann unter Infrarotlampen getrocknet werden, bis das gesamte Lösemittel beseitigt worden ist. Das Trocknen bei Raumtemperatur oder unter Infrarotlampen ist ausreichend, um alle Lösemittel in der Katalysatorschicht zu beseitigen. Nach dem Trocknungsschritt werden die Abziehlagen gewogen, um den Feststoffgehalt zu bestimmen. Nach dem Trocknungsschritt ist eine homogene Katalysatorschicht, wie in 6 gezeigt ist, auf dem Substrat ausgebildet worden.
Wie in 5 bei 106 gezeigt ist, werden die Katalysatorschichten dann mit der Polymerelektrolytmembran verbunden, beispielsweise durch Heißpressen bei oder oberhalb der Glasübergangstemperatur für das Ionomer unter erhöhten Drücken. Bei dieser Temperatur beginnt das Ionomer (beispielsweise Nafion) zu fließen, und aufgrund des Druckes verteilt es sich gut in der ausgebildeten porösen Struktur. Durch Bearbeitung oberhalb der Glasübergangstemperatur wird eine gute Bindung zwischen der Elektrode und der Membran erhalten.
Wie in 7 gezeigt ist, ordnet der Prozess ein Metallsubstrat 72 mit einer Anodenschicht aus getrocknetem Katalysator 70 auf einer Seite der SPE-Membran 46 und ein Metallsubstrat 72 mit einer Kathodenschicht 44 aus getrocknetem Katalysator 70 auf der entgegengesetzten Seite der SPE-Membran 46 an. Somit bringt das Heißpressen beide getrockneten Katalysatorschichten 42, 44 auf die SPE-Membran 46 simultan auf. Dies wird typischerweise als eine Abziehlage bezeichnet, da der Übertragungsprozess umfasst, dass die getrocknete Katalysatorschicht 70, d. h. der Elektrodenfilm 40, auf eine Membran 46 aufgebracht wird. Alternativ dazu kann jede Abziehlage 70 nacheinander mit der Membran 46 verbunden werden.
Wie in 5 gezeigt ist, wird das Substrat 72 dann von der getrockneten Katalysatorschicht 40, 70 abgelöst, wie bei 108 gezeigt ist, wodurch die ausgebildete Membranelektrodenanordnung 12 zurückbleibt, wie in 2 zu sehen ist. Das Substrat 72 kann dann nach einer Zeitdauer nach dem Heißpressen entfernt werden. Das Substrat 72 kann einfach abgelöst werden, nachdem das Substrat 72 geringfügig abgekühlt ist. Das Substrat 72 besitzt bevorzugt eine relativ niedrige Anhaftung an die Elektrode 40, 70. Das niedrige Anhaftvermögen stellt nach dem Verbinden der Elektrode 40, 70 mit der Membran 46 sicher, dass das Substrat 72 von der Elektrode 40, 70 abgelöst werden kann. Die geformte Membranelektrodenanordnung 12 wird dann abgenommen, wobei sie zur nachfolgenden Verwendung aufgerollt oder unmittelbar weiter in einen Brennstoffzellenstapel verarbeitet werden kann. Das Substrat 72 wird dann bevorzugt unter Verwendung eines Lösemittels, wie bei 110 gezeigt und oben beschrieben ist, gereinigt. Das Substrat 72 ist dann zur Wiederverwendung bereit, wie bei 112 gezeigt ist, und die Katalysatoraufschlämmung wird wieder auf das Substrat bei 102 beschichtet. Der Prozess kann viele Male wiederholt werden.
In 8 ist eine Ausführungsform eines bevorzugten Prozesses gezeigt, der mit der Aufschlämmungsherstellstation beginnt, wie bei 114 gezeigt ist. Der Prozess verwendet zwei Substrate 72, von denen jedes als eine kontinuierliche Schleife vorgesehen ist, die um verschiedene Wagen 116 in der durch die Pfeile angegebenen Richtung läuft. An den Beschichtungsstationen 118 werden eine oder mehrere Schichten aus Tinte 70 auf das Substrat 72 aufgebracht. Bevorzugt wird die Katalysatoraufschlämmung oder -tinte auf das Substrat (als Muster) teilflächenbeschichtet. Beispielsweise kann die Aufschlämmung unter Verwendung von Druckprozessen oder Sprühbeschichtungsprozessen ausgebreitet werden, wie oben beschrieben ist. An den Trocknungsstationen 120 wird die Tinte 70 getrocknet, und die getrocknete Tinte 70 bildet die Anodenelektrode 42 und die Kathodenelektrode 44. Die Trocknungsstation 120 umfasst bevor zugt Infrarottrocknungslampen. Bei einer alternativen Ausführungsform stellen die Trocknungsstationen einfach eine längere Raumausdehnung dar, die ausreichend ist, damit die Tinte trocknen kann, wenn sie entlang der längeren Ausdehnung bei Raumtemperatur geführt wird.
Eine Rolle aus SPE-Membran 46 ist zentral zwischen den Trägern 72 vorgesehen, wobei die getrocknete Tinte die Elektroden 42, 44 bildet. Die Heißpressstation 122 verwendet ein Paar erhitzter Walzen, um die Elektroden 42, 44 (die auf den Substraten 72 positioniert und wie in 7 gezeigt angeordnet sind) auf beide Seiten der SPE-Membran 46 heiß zu pressen. Alternativ dazu können anstelle der Walzen erhitzte Platten verwendet werden. Der Träger 72 mit der Elektrode 40, 70 wird auf die Membran 46 heißgepresst, wobei die Elektrode 40, 70 sich zwischen dem Träger 72 und der Membran 46 befindet. Nach dem Heißpressen wird der Träger 72 von der Membran 46 an der Ablösstation 124 abgelöst, was durch gemacht wird, dass die Substrate um die Walzen 116 gewickelt werden, was dahinter einen getrockneten Elektrodenfilm 70 auf beiden Seiten der Membran 46 zurücklässt.
Alternativ dazu ist ein Trägerelement (nicht gezeigt) vorgesehen, an dem die SPE-Membran 46 bewegt wird. Das Trägerelement besteht bevorzugt aus dem gleichen Material wie dem des Substrates 72. Die Elektrodenabziehlagen 40, 70 sind auf dem Substrat 72 voneinander beabstandet, so dass während eines ersten Heißpressvorgangs an einer Seite der SPE-Membran 46 eine Abziehlage damit verbunden wird und an der entgegengesetzten Seite der SPE-Membran 46 das Trägerelement und ein blankes Substrat 72 dagegen gepresst wird. Anschließend wird die SPE-Membran 46 von ihrem Trägerelement auf das Substrat 72 aufgrund der Verbindung mit der Abziehlage übertragen. Eine zweite Elektrodenabziehlage 40, 70 von dem anderen Substrat 72 wird dann an der gegen überliegenden Seite der SPE-Membran 46 angeordnet und damit durch einen zweiten Heißpressvorgang verbunden. Anschließend werden die Substrate 72 von der resultierenden Membranelektrodenanordnung, die durch diesen Prozess ausgebildet wird, abgelöst, bevor sie gereinigt und an die Beschichtungsstation 118 zur Wiederverwendung rückgeführt werden.
Wie in der Ausführungsform von 8 gezeigt ist, gelangt das Substrat 72 dann durch eine Reinigungsstation 126, an der das Substrat beispielsweise mit einem Lösemittel besprüht und dann durch Wischen gereinigt wird, um das Lösemittel zu entfernen. Anschließend kehrt das Substrat 72 zu der Musterbeschichtungsstation 118 zurück, indem es um die Wagen 116 läuft. Somit wird der oben beschriebene Prozess erneut unter Verwendung desselben Substrates 72 wiederholt.
Die Membranelektrodenanordnung sieht vor dem Abziehen der nicht porösen Substratschichten 72 wie in 7 gezeigt aus. Die Anordnung umfasst die Elektrolytmembran 46 mit einer Elektrode 40, 70 auf jeder Seite, und ein Trägermaterial 72 auf der Elektrode 40, 70. Die Membranelektrodenanordnung mit porösen Trägerschichten wird heißgepresst, wodurch eine starke Bindung zwischen den Elektroden 40, 70 und der Membran 46 gebildet wird. Das Substratmaterial 72 wird vor der Verwendung der Membranelektrodenanordnung in einer Brennstoffzelle entfernt. Diese Vorgehensweise ist für die Anoden- und Kathodenfabrikation bei der Herstellung einer Membranelektrodenanordnung anwendbar.
Wie oben beschrieben ist, kann die gezeigte Vorrichtung beispielsweise mit einem kontinuierlichen oder gestuften Prozess betrieben werden. Ein gestufter Prozess, bei dem die Substratschleife gestartet und gestoppt wird, ist bevorzugt. Noch bevorzugter ist ein kontinuierlicher Prozess, bei dem sich die Substratschleife kontinuierlich bewegt. Beispielsweise können erhitzte Quetschwalzen, wie gezeigt ist, oder alternativ dazu sich bewegende Platten, dazu verwendet werden, eine kontinuierliche Bewegung der Substratschleifen sogar während der Heißpressvorgänge zu ermöglichen.
Es können hinsichtlich der oben beschriebenen Ausführungsformen auch Abwandlungen durchgeführt werden. Beispielsweise kann eine einzelne Substratschleife verwendet werden, wobei jede Seite der SPE-Membran an verschiedene Abziehlagen desselben Substrates heißgepresst wird. Somit kann die erste Abziehlage abgelöst werden, bevor die zweite Abziehlage auf die entgegengesetzte Seite der SPE-Membran heißgepresst wird.
Beispiel: Nachfolgend ist ein Beispiel einer Membranelektrodenanordnung gezeigt, die gemäß des hier beschriebenen Prozesses hergestellt ist. Eine Katalysatortinte wird aus einem Katalysator hergestellt, der bevorzugt etwa 20 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung umfasst, die auf Kohlenstoff getragen ist, der den verbleibenden Gewichtsprozentanteil umfasst. Genauer wird ein Katalysator mit 50 Gew.-% Pt und 50 Gew.-% C bei diesem Beispiel verwendet. In diesem Fall wird 1 Gramm von 50 Gew.-% Pt verwendet, das auf XC-72 Vulcan Carbon (E-Tec Inc., Natick, Massachusetts) getragen ist.
Dieser Katalysator wird mit 8 Gramm von 5 Gew.-% Nafionlösung (SE-5112), die von DuPont bezogen werden kann, als dem Ionomer bei diesem Beispiel gemischt. Flemion, das unter anderem von Asahi Glass bezogen werden kann, kann auch als das Ionomer verwendet werden. Das Lösemittel in der Lösung umfasst 60 Gew.-% Wasser und 35% Gew.-% Alkohole. Zusätzlich wird Wasser und Alkohol der Mischung zugesetzt, um die Gesamtmenge an Wasser und Alkoholen in der Mischung auf etwa 30 Gew.-% und etwa 59 Gew.-% der Mischung zu erhöhen. Diese Mischung oder Aufschlämmung wird vor der Verwendung für 24 Stunden mit einer Kugelmühle gemahlen. Das Ergebnis ist die Katalysatortinte.
Die Tinte wird auf ein Abziehlagensubstrat, das eine 3 Milli-Inch dicke Lage aus Aluminiumfolie ist, durch einen Mayer-Rod-Beschichtungsprozess beschichtet. Eine geeignete Mayer-Rod-Größe wird verwendet, um die gewünschte Dicke und anschließende Katalysatorbeladung zu erhalten. Bei diesem Beispiel wird eine Mayer-Rod-Nummer 80 verwendet, wobei die getrocknete Katalysatorschicht etwa 14 μm dick ist und die resultierende Katalysatorbeladung etwa 0,4 mg Pt/cm² ist.
Nach dem Beschichten wird die Abziehlage bei Raumtemperatur so lange getrocknet, bis das meiste Lösemittel verdunstet ist. Bei diesem Beispiel beträgt diese anfängliche Trocknungszeit etwa 15 Minuten. Das Substrat kann jedoch für weitere 30 Minuten oder länger bei Raumtemperatur weiter getrocknet werden. Alternativ dazu wird (wie bei diesem Beispiel) die Abziehlage unter einer Infrarotlampe (IR-Lampe) zwischen etwa 5 Minuten bis etwa 10 Minuten weiter getrocknet, um jegliches restliches Lösemittel zu verdunsten.
Nach einem Trocknen wird eine zusätzliche Lage einer Lösung aus verdünntem Ionomer (verdünnt auf 1 Gew.-% Nafion in Methanol) optional auf den oberen Bereich der getrockneten Katalysatorschicht wie bei diesem Beispiel gesprüht. Die Daten zeigen, dass kein Ionomer in dem Foliensubstrat absorbiert wird und daher das gesamte Ionomer in der Tinte auf die Membran übertragen wird. Das Sprühen dieser zusätzlichen Ionomerlösung kann einen Kontakt zwischen der Katalysatorlage und der Polymerelektrolytmembran verbessern, was eine Verringerung des Kontaktwiderstandes zur Folge hat. Nach einem Sprühen der verdünnten Ionomerlösung wird das Substrat erneut unter einer IR-Lampe über etwa 5 Minuten getrocknet, um jegliches restliches Lösemittel auszutreiben.
Eine Abziehlage, die wie oben beschrieben vollständig ausgebildet und getrocknet ist, wird auf jeder Seite einer Polymerelektrolytmembran angeordnet. Die Katalysatorabziehlage wird an der Polymerelektrolytmembran angeordnet, und die Foliensubstrate liegen nach außen frei. Bei diesem Beispiel wird die Anordnung bei 2757,9 kPa, 145°C zwischen etwa 4 Minuten und etwa 8 Minuten abhängig von der Größe der Membranelektrodenanordnung heißgepresst. Für eine Membranelektrodenanordnung mit 50 cm² dieses Beispiels und mit Abziehlagen mit einer in etwa gleichen Größe dauert der Heißpressvorgang etwa 4 bis etwa 5 Minuten.
Die Membranelektrodenanordnung kann dann für etwa eine Minute bei Raumtemperatur abkühlen, bevor das Aluminiumfoliensubstrat von jeder Seite der Membranelektrodenanordnung abgelöst wird. Nach Entfernung des Substrates verbleibt die Katalysatorabziehlage auf jeder Seite der Membran. Somit wird eine fertige Membranelektrodenanordnung (MEA) gebildet. Diese Anordnung wird auch als eine mit Katalysator beschichtete Membran (CCM) bezeichnet. Das Substrat ist dann zur Wiederverwendung verfügbar, auf dem andere Abziehlagen ausgebildet werden können.
In 9 ist eine Polarisierungskurve vorgesehen, die die Beziehung zwischen der Zellenspannung und der Stromdichte zeigt. Es ist eine Kurve für Membranelektrodenanordnungen aufgezeichnet, die durch den hier beschriebenen Prozess unter Verwendung einer 0,076 mm dicken Aluminiumfolie als dem Abziehlagensubstrat hergestellt wurden. Es ist auch eine Kurve für eine Membranelektrodenanordnung aufgezeichnet, die durch einen Prozess hergestellt wurde, der expandiertes PTFE als Substrat verwendet hat. Wie zu sehen ist, sind die Polarisierungskurven unter Verwendung der beiden Verfahren nahezu identisch. Mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden jedoch Kostenvorteile durch Verwendung von Abziehlagen erreicht, die auf wiederverwendbaren Substraten hergestellt werden können, wie vorher beschrieben wurde.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung (12) einer PEM- oder einer SPE-Brennstoffzelle (10), bei dem: – ein metallisches nicht poröses Substrat (72) vorgesehen wird; – eine Aufschlämmung mit einem innenleitenden Material, einem elektrisch leitenden Material, einem Katalysator und einem Lösemittel gebildet wird; – in einem Aufbringschritt die Aufschlämmung auf das nicht poröse Substrat (72) aufgebracht wird; – die aufgebrachte Aufschlämmung in einem Trocknungsschritt, unter Ausbildung einer Elektrode, getrocknet wird, um eine Abziehlage (42, 44) zu bilden; und – die Abziehlage (42, 44) mit einer PEM- oder SPE-Membran (46) in einem Verbindungsschritt verbunden wird; dadurch gekennzeichnet, dass das metallische nicht poröse Substrat (72) mit einer Dicke zwischen 0,03 Millimeter und 0,13 Millimeter vorgesehen wird, wodurch das Substrat (72) in einem Ablöseschritt beim Ablösen von der Abziehlage (42, 44) in einem unbeschädigten Zustand bleibt und somit in dem Verfahren wiederverwendbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt, dass das nicht poröse Substrat (72) nach dem Ablöseschritt gereinigt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Reinigungsschritt ferner umfasst, dass auf das nicht poröse Substrat (72) ein Lösemittel aufgebracht wird, das aus der Gruppe gewählt wird, die Isopropanol und normales Propanol, Ethanol, Methanol, Wasser und deren Mischungen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das nicht poröse Substrat (72) als ein einen Metallfilm aufweisendes Substrat vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Metallfilm durch Laminieren des Metallfilms auf ein anderes Filmmaterial vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zwei Abziehlagen (42, 44) gebildet werden und jede Abziehlage (42, 44) durch Heißpressen mit einer jeweiligen Seite der Membran (46) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Trocknungsschritt umfasst, dass die Aufschlämmung Infrarotlampen ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Aufbringschritt einen Beschichtungsprozess umfasst, der aus der Gruppe gewählt wird, die einen Druck- und einen Sprühprozess umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verbindungsschritt ferner ein Heißpressen bei oder oberhalb der Glasübergangtemperatur des innenleitenden Materials umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als elektrisch leitendes Material Kohlenstoff und als Katalysator ein Metall verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als innenleitendes Material ein Perfluorsulfonat-Ionomer verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung (12) einer PEM- oder einer SPE-Brennstoffzelle (10), bei dem: – zwei als Endlosband ausgebildete metallische nicht poröse Substrate (72) vorgesehen werden; – zwei Aufschlämmungen mit einem innenleitenden Material, einem elektrisch leitenden Material, einem Katalysator und einem Lösemittel gebildet werden; – in einem Aufbringungsschritt je eine der Aufschlämmungen in einem Muster diskreter Bereiche auf die nicht porösen Substrate aufgebracht wird; die aufgebrachten Aufschlämmungen in einem Trocknungsschritt, unter Ausbildung von Elektroden, getrocknet werden, um eine Vielzahl von Abziehlagen (42, 44) entsprechend der diskreten Bereiche zu bilden; und – die beiden Abziehlagen (42, 44) auf den beiden Substraten in einem Verbindungsschritt jeweils mit einer entgegengesetzten Seite einer PEM- oder SPE-Membran (46) verbunden werden; dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen nicht porösen Substrate (72) mit einer Dicke zwischen 0,03 Millimeter und 0,13 Millimeter vorgesehen werden, wodurch die Substrate (72) in einem Ablöseschritt beim Ablösen von den Abziehlagen (42, 44) in einem unbeschädigten Zustand bleiben und somit in dem Verfahren wiederverwendbar sind.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Verbinden der Abziehlagen mit den entgegengesetzten Seiten der Membran simulant erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend, dass das Endlosband (72) kontinuierlich bewegt wird.