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Die
Erfindung betrifft das Gebiet von elektrochemischen Zellen und Brennstoffzellen,
genauer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen ("PEMFC") und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen ("DMFC"). Sie beschreibt
mit Katalysator beschichtete Ionomermembranen ("CCMs")
und Membran-Elektroden-Einheiten ("MEAs"),
die verschiedenfarbige Schichten umfassen. Die Schichten mit verschiedenen
Farben sind Polymer-Schutzfilmschichten, Versiegelungsschichten,
Dichtungen oder Gasverteilerschichten. Die Komponenten mit verschiedenen
Farben tragen zur Unterscheidung der beiden reaktiven Seiten (d.
h. der Anodenseite und der Kathodenseite) der MEA bei und erleichtern
somit die Handhabungseigenschaften, insbesondere in automatischen
Fertigungsstraßen
für Brennstoffzellenstapel.
Die mit Katalysator beschichteten Membranen und Membran-Elektroden-Einheiten
(MEAs) werden als Komponenten in Niedrigtemperatur-Brennstoffzellenstapeln
verwendet.
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Brennstoffzellen
wandeln einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel an zwei räumlich getrennten Elektroden
in Elektrizität,
Wärme und
Wasser um. Die Technologie von Brennstoffzellen wird umfassend in
der Literatur beschrieben, siehe zum Beispiel K. Kordesch und G.
Simader, "Fuel Cells
and Its Applications",
VCH Verlag Chemie, Weinheim (Deutschland) 1996.
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Eine
mit Katalysator beschichtete Membran (im Folgenden als "CCM" abgekürzt) besteht
aus einer Polymer-Elektrolyt-Membran, die auf beiden Seiten mit
einer katalytisch aktiven Schicht versehen ist. Im Allgemeinen unterscheiden
sich die Schichten voneinander: Eine der Schichten nimmt die Form
einer Anode für
die Oxidation von Wasserstoff an und die zweite Schicht nimmt die
Form einer Kathode zur Reduktion von Sauerstoff an. Da die CCM aus
drei Schichten besteht (Anodenkatalysatorschicht, Ionomermembran
und Kathodenkatalysatorschicht), wird sie oft als "dreischichtige MEA" bezeichnet. Wie
in dieser Erfindung ausgeführt,
kann die CCM (eine) Filmschicht(en) zur besseren Handhabung, zum Schutz
und zum Versiegeln des Produkts enthalten.
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Gasverteilerschichten
("GDLs"), die manchmal als
Gasverteilersubstrate oder -träger
bezeichnet werden, werden auf die Anoden- und Kathodenschichten
der CCM aufgebracht, um die gasförmigen Reaktionsmedien
(Wasserstoff und Luft) zu den katalytisch aktiven Schichten zu bringen
und dabei einen elektrischen Kontakt herzustellen. GDLs bestehen normalerweise
aus Substraten auf Kohlenstoffbasis, wie zum Beispiel Kohlefaserpapier
oder gewebte Kohlenstoffstoffe, die hochgradig porös sind und
den Reaktionsgasen einen guten Zugang zu den Elektroden ermöglichen.
Des Weiteren sind sie hydrophob, um das Produktwasser aus der Brennstoffzelle
zu entfernen. GDLs können
mit einer Mikroschicht beschichtet werden, um den Kontakt zur Membran
zu verbessern.
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Eine
Membran-Elektroden-Einheit ("fünfschichtige
MEA") ist die zentrale
Komponente in einer Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzelle
und besteht aus fünf
Schichten: Die Anoden-GDL, die Anodenkatalysatorschicht, die Ionomermembran,
die Kathodenkatalysatorschicht und die Kathoden-GDL. Eine MEA kann
hergestellt werden, indem eine CCM mit zwei GDLs kombiniert wird (auf
der Anoden- und der Kathodenseite) oder indem, in einer anderen
Ausführungsform,
eine Ionomermembran mit zwei mit Katalysator beschichteten Träger (CCBs)
an der Anoden- und der Kathodenseite kombiniert wird. In beiden
Fällen
wird ein fünfschichtiges
MEA-Produkt erhalten. Wenn die CCM (eine) Schutzfilmschicht(en)
enthält,
die in der laminierten Einheit integriert ist (sind), enthält die fünfschichtige MEA
wiederum auch diese Schutzfilmschicht(en).
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Die
Anoden- und Kathoden-Elektrodenschichten umfassen im Allgemeinen
verschiedene Elektrokatalysatoren, die die jeweilige Reaktion katalysieren
(Oxidation von Wasserstoff an der Anode und Reduktion von Sauerstoff
an der Kathode). Die Metalle der Platingruppe des Periodensystems
werden vorzugsweise als die katalytisch aktiven Komponenten verwendet.
Größtenteils
werden geträgerte Katalysatoren
verwendet, in denen die katalytisch aktiven Metalle der Platingruppe
in Teilchenform in Nanogröße an der
Oberfläche
eines leitenden Trägermaterials
befestigt wurden. Die durchschnittliche Teilchengröße des Metalls
der Platingruppe liegt zwischen etwa 1 und 10 nm. Es hat sich erwiesen,
dass Ruße
mit Teilchengrößen von
10 bis 100 nm und einer hohen elektrischen Leitfähigkeit als Trägermaterialien
geeignet sind.
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Die
Polymer-Elektrolyt-Membran besteht aus protonenleitenden Polymermaterialien.
Diese Materialien werden nachstehend auch als Ionomermembranen bezeichnet.
Vorzugsweise wird Tetrafluorethylenfluorvinylethercopolymer mit
Sulfonsäuregruppen
verwendet. Dieses Material wird zum Beispiel von E. I. DuPont unter
der Handelsbezeichnung Nafion® vermarktet. Es können jedoch
auch andere, insbesondere fluorfreie, Ionomermaterialien verwendet
werden, wie zum Beispiel sulfonierte Polyetherketone oder Arylketone
oder säuredotierte
Polybenzimidazole. Geeignete Ionomermaterialien werden von O. Savadogo
im "Journal of New
Materials for Electrochemical Systems" I, 47–66 (1998) beschrieben. Zur
Anwendung in Brennstoffzellen haben diese Membranen im Allgemeinen
eine Dicke zwischen 10 und 200 μm.
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Bei
der Konstruktion eines PEMFC-Stapels werden mehrere Membran-Elektroden-Einheiten
und bipolare Platten in Reihe gestapelt, um den gewünschten
Spannungsausgang zu erhalten. Im Allgemeinen werden diese Komponenten
(in erster Linie CCMs, MEAs und bipolare Platten) gegen ein Lecken
gegenüber
der Umwelt und gegen ein Vermischen der Reaktanden (Wasserstoff
und Sauerstoff/Luft) mit gasdichten Versiegelungen versiegelt. Die
Technologie zur Herstellung von Brennstoffzellkomponenten und -versiegelungen
ist in der Literatur gut beschrieben.
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In
US 6,500,217 B1 ist
ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von mit Katalysator
beschichteten Membranen durch Aufbringen von Elektrodenschichten
auf einen Polymer-Elektrolyt-Membranstreifen
offenbart.
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Die
US 2002/0064593 A1 lehrt
ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von 5-schichtigen MEAs
für Brennstoffzellen.
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In
US 3,134,697 A1 wird
eine Versiegelungsfunktion herkömmlicherweise
unter Verwendung von vorgeschnittenen Rahmen aus Polymermaterial
und durch Anordnen dieser Rahmen um die Elektroden der Brennstoffzelle
zwischen der Membran und den bipolaren Platten der Zelle erreicht.
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Die
EP 690 519 A1 befasst
sich mit der Stabilisierung der Membran im inaktiven Versiegelungsbereich.
Sie betrifft eine Einheit, bestehend aus mindestens einer Versiegelungs schicht
in einer festen Polymer-Ionenaustauschschicht, wobei die Versiegelungsschichten
im Wesentlichen nur den Bereich der Ionenaustauschschicht bedecken,
die zu versiegeln ist. Die Versiegelungsschicht ist aus einer Polytetrafluorethylen(PTFE)-Folie
gefertigt, wobei eine Oberfläche
mit dem Ionomermaterial beschichtet und teilweise imprägniert ist.
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WO 00/10216 A1 beschreibt
eine Einheit aus Membran-Elektrode-Dichtung mit einer Dichtung und einer
Unterdichtung, um die MEA zu versiegeln und sie vor einem möglichen
Versagen des Randes zu schützen.
Das Dichtungsmaterial besteht typischerweise aus expandiertem Polytetrafluorethylen (e-PTFE),
das zur besseren Haftung mit einer Lösung aus Ionomer getränkt wurde.
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EP 1 184 925 A2 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung von PEMFC-Stapeln durch Anordnen von
MEAs und bipolaren Platten, gekennzeichnet durch ein charakteristisches
Kompressionsverfahren.
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DE 10140684 A1 betrifft
ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle,
enthaltend eine Schichtanordnung aus einer Anoden-Elektrode, einer
Kathoden-Elektrode und einer dazwischen angeordneten Membran, wobei
das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- a)
Herstellung der Membran-Elektroden-Einheit durch Zusammenfügen der
Polymerelektrolytmembran und der Kathoden- und Anoden-Elektrode,
wobei eine Katalysatorschicht membran- oder elektrodenseitig aufgebracht
werden kann, und insgesamt die Schichtanordnung gebildet wird,
- b) Aufbringen eines Polymermaterials in Form von Folien auf
die Ober- und Unterseite der Schichtanordnung,
- c) Ausstanzen und gleichzeitiges Befestigen der Folie mindestens
teilweise am äussersten
Rand (3) der Schichtanordnung,
- d) Erhitzen und Pressen von Randzonen der folienbeschichteten
Schichtanordnung, wobei das Polymermaterial in den Randzonen erweicht
oder schmilzt und die Randzonen der Schichtanordnung durchdringt.
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DE 19703214 A1 beschreibt
eine Membran-Elektrodeneinheit mit integriertem Dichtrand für eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle
mit einer Polymerelektrolytmembran, einer an einer Oberfläche der
Membran angeordneten Anode und einer an der anderen Oberfläche der
Membran angeordneten Kathode, wobei die Membran an beiden Oberflächen im
wesentlichen vollständig
von den Elektroden bedeckt ist und um den Umfang der Membran-Elektrodeneinheit
ein Dichtrand vorgesehen ist, der einen Randbereich mindestens einer
der Elektroden durchdringt und an dem mit dem Randbereich in Berührung stehenden
Bereich der Membran haftet oder der einen Randbereich mindestens
einer der Elektroden durchdringt und an dem mit dem Randbereich
in Berührung
stehenden Bereich der Membran haftet und der an den Stirnflächen mindestens
der Membran haftet.
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WO 02/42191 A1 betrifft
eine Produktstapelvorrichtung, umfassend:
eine oder mehrere
Stationen, mit jeweils einem Förderer,
mit dem beabstandete Trägerelemente
zur Bewegung mit diesem gekoppelt sind; und
eine Produktbeförderungsvorrichtung,
die eine oder mehrere bewegbare Bahnen antreibt, an denen segmentiertes
blattförmiges
Produktmaterial entfernbar befestigt ist, wobei die Produktbeförderungsvorrichtung
eine oder mehrere rotierbare Laminier-Grenzflächen aufweist, die jeder der
Stationen zugeordnet sind, um blattförmiges Produktmaterial von
den Bahnen zu dem Trägerelementen
zu transferieren und zwar wiederholt zur Erzeugung eines Stapels
aus dem blattförmigen
Produktmaterial auf den jeweiligen Trägerelementen.
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Im
Allgemeinen müssen
in dem Verfahren zur Zusammenstellung von PEM-Stapeln die MEAs in
einer bestimmten, gut definierten Reihenfolge mit den bipolaren
Platten angeordnet werden, um den Stapel zu bilden. Je nach der
erforderlichen Leistungsabgabe wird eine bestimmte Anzahl an MEAs (manchmal
bis zu 100 MEAs für
einen 50-kW-Stapel) aufeinander gestapelt. In diesem Verfahren wird
die Anodenseite der MEA (d. h. die Seite, wo das Wasserstoff enthaltende
Zufuhrgas in den Stapel eintritt) stets von der Kathodenseite (d.
h. der Luftzufuhrseite) getrennt. Bei der Zusammenstellung des Stapels werden
die MEAs folgendermaßen
in "Reihe" elektrisch verbunden:
Anode – Membran – Kathode//bipolare
Platte//Anode – Membran – Kathode//bipolare Platte//usw.
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Ein
versehentliches Verwechseln der Anoden- und Kathodenseite der MEA/CCM
bei der Zusammenstellung des Stapels könnte zu einem ernsthaften Versagen
im gesamten PEM-Stapel
führen. Die
Anodenseite der MEA, die normalerweise CO-tolerante PtRu-Elektrokatalysatoren
enthält,
wäre der Luft
ausgesetzt (d. h. würde
oxidieren) und die Kathodenseite würde mit Wasserstoff in Berührung kommen.
Als Ergebnis einer solchen Art von Fehler bei der Zusammenstellung
wären die
Leistung und Zuverlässigkeit
des Stapels stark beeinträchtigt.
Der Stapel muss auseinander genommen und neu aufgebaut werden, wobei
die MEA richtig in Reihe angeordnet werden. Somit muss diese Art
von Fehler völlig
vermieden werden.
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Wenn
der PEM-Stapel manuell zusammengestellt wird, muss besonders darauf
geachtet werden, vor der Zusammenstellung des Stapels die richtige
Seite (d. h. die Anodenseite oder die Kathodenseite) der MEA/CCM
zu erkennen. Dies kann ein sehr zeitaufwändiges Verfahren sein, das
zu langen Zusammenstellungszeiten und somit zu höheren Arbeitskosten im Zusammenhang
mit diesem Verfahren führen.
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Vor
diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
MEAs und CCMs zur Verfügung
zu stellen, die eine bessere, sicherere und schnellere Handhabung
bei der Zusammenstellung von PEMFC-Stapeln ermöglichen. Eine bessere Handhabung
und eine schnellere Verarbeitung ist bei der kontinuierlichen Herstellung
von CCMs und MEAs in großem
Maßstab
besonders wichtig, da sie für
die künftige
weitverbreitete Vermarktung von Brennstoffzellen notwendig sind.
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Dieses
Problem wurde durch Bereitstellen von CCMs und MEAs gelöst, die
Schichten mit verschiedenen Farben enthalten.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Schichtenaufbau für eine elektrochemische
Zelle, umfassend
- – eine Ionomermembran,
- – die
mit Katalysatorschichten auf beiden Seiten der Ionomermembranoberfläche beschichtet
ist, und
- – eine
anodenseitig und eine kathodenseitig befestigte Schicht, in Form
von Gasverteilerschichten, Schutzfilmschichten, Versiegelungsschichten und/oder
Dichtungsschichten, welche verschiedene Farben aufweisen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung
dieses Schichtenaufbaus, wobei die verschiedene Farben aufweisenden Schichten
mit der mit Katalysator beschichteten Membran durch ein Druck und
Wärme verwendendes
Verfahren zusammengefügt
werden.
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In
einer besonderen Ausführungsform
ist der Schichtenaufbau dadurch gekennzeichnet, dass er als Membran-Elektroden-Einheit
ausgebildet ist, welcher
eine Ionomermembran,
die mit
Katalysatorschichten auf beiden Seiten der Ionomermembranoberfläche beschichtet
ist,
zwei Gasverteilerschichten, die die Katalysatorschichten
der mit Katalysator beschichteten Ionomermembran bedecken,
und
eine anodenseitig und eine kathodenseitig befestigte Schicht, welche
verschiedene Farben aufweisen,
umfasst.
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Dieser
bevorzugte Schichtenaufbau wird durch ein Verfahren hergestellt,
wobei die mit Katalysator beschichtete Membran, die Gasverteilerschichten
und die verschiedene Farben aufweisenden Schichten durch ein Druck
und Wärme
verwendendes Verfahren zusammengefügt werden.
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Die
Erfindung betrifft auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Schichtenaufbaus
zur Herstellung eines PEM- oder DMFC-Brennstoffzellenstapels.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Um
die Anodenseite der MEA besser von der Kathodenseite zu unterscheiden,
kann zum Beispiel die Anodenseite identifiziert werden, indem z.
B. eine Polymerfilmschicht mit schwarzer Farbe als Schutzfilmschicht
verwendet wird, und die Kathodenseite kann identifiziert werden,
indem z. B. ein weißer
Polymerfilm verwendet wird.
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Der
Begriff "mit verschiedenen
Farben" in der vorliegenden
Erfindung bedeutet jeden Unterschied der Eigenschaften, z. B. der
Oberfläche und/oder
Erscheinung, der Schichten, der verwendet werden kann, um die beiden
Seiten des Produkts optisch zu unterscheiden.
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Geeignete
Eigenschaften können
die Farbe (schwarz, rot, weiß,
transparent usw.), Rauhigkeit (z. B. glatt, rau oder texturiert),
Transparenz (z. B. opak, stark oder gering) oder allgemeiner die
Erscheinung (z. B. glänzend,
hochglänzend,
hell, dunkel) sein. Vorzugsweise ist die unterscheidende Eigenschaft ein
Unterschied in der Farbe. Obwohl in dieser gesamten Anmeldung auf
die Farbeigenschaften Bezug genommen wird, ist selbstverständlich,
dass auch jede der obigen Eigenschaften verwendet werden kann.
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Der
Unterschied in den oben erwähnten
Eigenschaften der beiden Schichten sollte ausreichend sein, um eine
Unterscheidung durch automatische Sensoren oder ähnliche Erkennungssysteme zu
ermöglichen.
Die geltenden CIE-Normen können
als Richtlinie für
geeignete Farbunterschiede gelten.
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Zu
den am stärksten
bevorzugten Farbmodellen zählt
das CIELAB-Farbmodell. In diesem System werden Farbunterschiede
durch drei Werte dokumentiert (L* = Helligkeit, a* = rot bis grün und b*
= blau bis gelb). Die mittlere vertikale Achse ("Grauskalenachse") stellt Helligkeit (als L* bezeichnet)
dar, deren Werte von 0 (schwarz) bis 100 (weiß) reichen. Typischerweise
können
Unterschiede von ΔL
= +/–5
mit dem bloßen
Auge und durch geeignete Farberkennungssensoren erkannt werden.
Auf der a* bis –a*-Achse
zeigen positive Werte den Rotanteil an, während negative Werte den Grünanteil
anzeigen. Auf der b* bis –b*
Achse ist gelb positiv und blau negativ. Typischerweise können Unterschiede
von Δa* und Δb* von +/–5 Einheiten
durch das bloße
Auge und durch geeignete Farbsensorsysteme erkannt werden.
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Die
Farbunterschiede der Schichten können durch
sichtbares Licht (VIS), durch UV-Licht, durch IR oder durch andere
geeignete spektroskopische Verfahren erkannt werden. Die geeigneten
Pigmente und Farbmittel werden dementsprechend ausgewählt.
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In
vollautomatischen kontinuierlichen Fertigungsstraßen können mit
geeigneten Erkennungssystemen ausgerüstete Roboter die Anoden- und
Kathodenseite von MEAs und/oder CCMs durch die verschiedenen ihnen
zugeordneten Eigenschaften leicht erkennen. Folglich kann das Stapelzusammenstellungsverfahren
schneller, sicherer und wirtschaftlicher gestaltet werden. Das gleiche
gilt für
die manuelle Stapelzusammenstellung, wo der Arbeiter die beiden
unterschiedlichen Seiten der MEA mit dem bloßen Auge leicht erkennen und
die MEA richtig zusammenstellen kann.
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Die
Komponenten, die der CCM und/oder MEA zugefügt werden, liegen im Allgemeinen
in flacher Form, vorzugsweise in Folien- oder Schichtform vor. Die
Komponenten sind Polymer-Schutzfolienschichten,
Versiegelungsschichten, Dichtungen oder Gasverteilerschichten.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die Komponenten ein Polymerschutzmaterial,
zum Beispiel aus vorgeschnittenen Polymerfolien. Diese Folien werden
in zwei verschiedenen Farben geliefert und für die beiden verschiedenen
Seiten der MEA verwendet.
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In
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann die geschichtete Komponente aus
verschiedenen Arten von Klebstoffen, zum Beispiel Silikonklebstoffen,
gefertigt sein. Zwei Klebstoffe mit verschiedenen Farben werden
als Dichtungsmaterialien verwendet, um die MEA in dem PEM-Stapel
zu versiegeln.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
können
die Komponenten eine GDL (Gasverteilerschicht) sein, die Versiegelungskomponenten
mit verschiedenen Farben umfasst.
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Des
Weiteren ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Herstellung der verbesserten MEA- und CCM-Produkte, die die Schichten
mit verschiedenen Farben enthalten, zur Verfügung zu stellen.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst drei bevorzugte Hauptausführungsformen,
die im Folgenden beschrieben werden, um die Erfindung zu veranschaulichen.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese bevorzugten Ausführungsformen
begrenzt.
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In
Ausführungsform
1 (siehe 1) der vorliegenden Erfindung
werden die Schichten mit verschiedenen Farben aus zwei Arten von
pastösen oder
flüssigen
Klebstoffmaterialien mit verschiedenen Farben (4a, 4b)
gefertigt. Wenn sie, zum Beispiel durch Spritzguss oder durch Pastenaufbringung,
auf die 5-schichtige MEA aufgebracht werden, die eine CCM mit einer
Ionomermembran (1), zwei Katalysatorschichten (2)
und zwei Gasverteilerschichten (3) enthält, wirken sie als gasdichte
Versiegelung. Die MEA kann in verschiedenen Ausführungen, einschließlich koextensiver
oder nicht koextensiver Ausführungen,
hergestellt werden.
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In
Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung werden gasdichte Versiegelungsmaterialien, zum
Beispiel vorgeschnittene Versiegelungsfolien, in zwei verschiedenen
Farben auf jede Seite der MEA aufgebracht, wie in 2 gezeigt.
Sie zeigt eine schematische Zeichnung (Querschnitt) einer mit Katalysator
beschichteten Membran (CCM) nach der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Ionomermembran (1) ist
auf beiden Seiten mit Elektrodenschichten (2) beschichtet,
die den aktiven Bereich der mit Katalysator beschichteten Membran
bilden. Zwei Rahmen von Schutzfolienschichten mit verschiedenen
Farben (4a: Farbe 1; 4b: Farbe 2) werden auf beiden
Seiten auf den passiven Bereich der Membran (1) aufgebracht.
Die Schutzfolie kann aus einem Polymer gefertigt sein, die steifer
ist als die Ionomermembran. Die Dicke der Schutzfolie liegt im Bereich
von 10 μm
bis 150 μm
(vorzugsweise im Bereich von 80 bis 120 μm) und kann einen Schutz für die Ionomermembran
gegen Druck, Stoß,
Verschleiß,
Wärme,
Austrocknen usw. darstellen. Die Schutzfolienschicht ist fest auf
der Membran befestigt und kann die Elektrodenschicht überlappen.
Sie kann vorgeformt und durch Wärmelaminierung
oder durch einen Klebstoff mit der Membran befestigt werden.
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In
Ausführungsform
3 (siehe 3) enthalten die Gasverteilerschichten
Versiegelungsmaterialien mit verschiedenen Farben. Es ist möglich, ein Versiegelungsmaterial
in Form einer farbigen Flüssigkeit
aufzubringen, die farbige Flüssigkeit
in die GDL zu pressen und die Flüssigkeit
zu härten,
was einen festen Schutzfilm schafft, der in die GDL dringt. Durch
Tränken
der GDLs mit einer flüssigen
Dichtungsmasse mit verschiedenen Farben können GDLs mit verschieden farbigen
Seiten hergestellt werden. In einer anderen Ausführungsform können die
vorgeschnittenen Versiegelungsfolien in zwei verschiedenen Farben
auf jede Seite der 5-schichtigen MEA aufgebracht werden (d. h. oben
auf die Anoden-GDLs und oben auf die Kathoden-GDL von der umgekehrten
Seite). Anschließend
kann diese Einheit durch ein Laminierverfahren unter Einsatz von Wärme und
Druck behandelt werden. Nach der Laminierung scheint die GDL auf
beiden Seiten in den Versiegelungsbereichen der MEA mit dem Schutzfolienmaterial
mit verschiedenen Farben imprägniert
zu sein. Somit können
die verschiedenen Seiten der MEA leicht durch ihre Farbe unterschieden
werden.
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Gemäß dieser
Erfindung können
nützliche Versiegelungs-
und Schutzpolymermaterialien in Film-, Folien- oder Bogenform vorliegen.
In einer anderen Ausführungsform
könnten
sie in pastöser
oder flüssiger
Form zur Aufbringung durch Drucken, Bürsten oder Prägen verfügbar sein.
Im Allgemeinen sollten alle Materialien stabil und widerstandsfähig gegenüber den
Betriebsbedingungen von Membranbrennstoffzellen, d. h. PEM- und
DMFC-Typen, sein. Des Weiteren sollten die Materialien eine hohe
Haltbarkeit und Lebensdauer sowie eine hohe Reinheit in Bezug auf
spurenförmige
Verunreinigungen, verbleibende flüchtige Komponenten und andere
anorganische oder organische Materialien aufweisen, die während des
Betriebs der Brennstoffzelle austreten könnten.
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Bevorzugte
Materialien für
Polymerfolienschichten sind organische thermoplastische oder duroplastische
Polymere, wie zum Beispiel Polytetrafluorethylen, PVDF, Polyethylen,
Polypropylen, Polyester, Polyamid, Co-Polyamid, Polyamidelastomere, Polyimid,
Polyurethan, Polyurethanelastomere, Silikone, Silikonkautschuke,
Elastomere auf Silikonbasis und dergleichen. Zum Beispiel sind geeignete
Polyurethanfolien auf dem Markt erhältlich und können in
verschiedenen Farben, die vom Verkäufer spezifiziert werden, erhalten
werden.
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Geeignete
Farbmittel sollten säurebeständig und
im Wesentlichen wasserunlöslich
sein. Des Weiteren sollten sie in Bezug auf die Betriebsbedingungen
einer Brennstoffzelle insbesondere in Bezug auf die Haltbarkeit
und Alterungsbeständigkeit
stabil sein. Beispiele für
geeignete Farbmittel sind säurebeständige inerte
organische oder anorganische Farbmittel und Pigmente, wie sie auf
dem Markt im Handel erhältlich
sind.
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Geeignete
Farbmittel oder Pigmente können in
sichtbarem Licht, UV-Licht, IR-Licht oder in jedem anderen Bereich
des Spektrums aktiv sein.
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Bezüglich der
anderen Eigenschaften, die verwendet werden können, um die Komponenten zu unterscheiden,
können
die Materialien der Komponenten entsprechend ausgewählt und
verarbeitet werden. Zum Beispiel können, um einen Unterschied der
Oberflächenrauhigkeit
zu erreichen, Gießen,
Prägen
oder jede andere geeignete Technik verwendet werden. Ein Unterschied
der Transparenz kann durch Zugabe zum Beispiel von teilchenförmigem Material
erreicht werden. Schließlich
kann ein Unterschied der Erscheinung je nach der Zusammensetzung
der Komponente durch geeignete Verfahren erreicht werden.
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Alle
Arten von handelsüblichen
GDLs sowie andere geeignete Materialien können zur Bildung von Komponenten
mit verschiedenen Farben zur Verwendung in dieser Erfindung verwendet
werden. Als Grundstoffe für
GDLs können
gewebte Kohlenstoffstoffe, nicht gewebte Kohlefaserschichten oder Kohlefaserpapiere
verwendet werden. Typische GDL-Grundstoffe sind Toray TGP-H-060
oder Textron AvCarb 1071 HCB, geliefert von Textron Inc. Die Gasverteilerschichten
können
hydrophob behandelt sein. Sie können
falls nötig
zusätzliche
Ruß-Mikroschichten
und Katalysatorschichten umfassen.
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Die
Bindung der Komponenten mit verschiedenen Farben (d. h. GDLs, Schutzschichten,
Versiegelungsfolien usw.) an die CCM kann durch Anwendung von Druck
und Wärme
(zum Beispiel in einem Laminierverfahren) erfolgen. Geeignete Bindungs- oder
Laminierbedingungen sollten an die mechanische Stabilität des Grundstoffs
der Komponenten angepasst sein. Es ist auch möglich, die Komponenten durch
Anwendung von Klebstoffen oder Leim und dergleichen zu binden.
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Die
folgenden Beispiele beschreiben die Erfindung genauer. Diese Beispiele
werden vorgestellt, um das Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu unterstützen und sollen die Erfindung
nicht in irgendeiner Weise beschränken oder dahingehend ausgelegt
werden.
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BEISPIELE
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Beispiel 1:
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Die
mit Katalysator beschichtete Membran, die in diesem Beispiel verwendet
wurde, wurde gemäß
US 6,309,772 B1 hergestellt.
Ein 40 Gew.% Pt/Vulcan XC72-Katalysator wurde als ein Kathodenkatalysator
verwendet, und für
die Anodenseite wurde ein 40 Gew.% PtRu (1:1)/Vulcan XC72 verwendet. Das
CCM-Produkt ist von OMG AG & Co.
KG unter der Bezeichnung "CCM-Typ
7C" erhältlich und
wurde mit einem aktiven Bereich von 100 cm
2 (10 × 10 cm) verwendet.
Der passive Bereich (der nicht beschichtete Bereich) der CCM hatte
eine Größe von 1,0
cm Breite, was CCM-Abmessungen von insgesamt 12 × 12 cm ergab, wobei der aktive
Bereich in der Mitte zentriert war.
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Folienmaterialien
auf Polyurethanbasis (weiße
PU-Folie und schwarze PU-Folie) mit einer Dicke von 50 μm wurden
als eine Schutzfolienschicht verwendet.
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Die
mit Katalysator beschichtete Membran wurde zwischen einen Rahmen
aus schwarzem Schutzfolienmaterial auf der Kathodenseite und einem
Rahmen aus weißem
Schutzfolienmaterial auf der Anodenseite platziert, und die Einheit
wurde mit zwei Lagen von PTFE-Zuschnitten
bedeckt. Die Schutzfolienrahmen wurden in Bezug auf die mit Katalysator
beschichtete Membran derart positioniert, dass der Umfangsrand der
Membran völlig
bedeckt war, und ein 2 mm breiter Bereich des aktiven Bereichs überlappte
den Innenrand des Rahmens der Schutzfolie auf beiden Seiten der
CCM. Es wurde eine Laminierung des Pakets bei 27 bar und einer Temperatur
von 145°C
2 Minuten lang durchgeführt.
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Eine
mit Katalysator beschichtete Membran (CCM) mit einer weißen Schutzschicht
auf der Anodenseite und einer schwarzen Schutzschicht auf der Kathodenseite
wurde erhalten. Die CCM und zwei Gasverteilerschichten (GDLs), eine
auf der Anoden- und eine auf der Kathodenseite, wurden zu einer PEM-Einzelzelle
zusammengesetzt und in einem Wasserstoff/Luft-Betrieb bei einem
Betriebsdruck von 2,7 bar bei einer Zellentemperatur von 70°C getestet.
Die elektrische Leistung lag im Bereich von 650 mV bei einer Stromdichte
von 600 mA/cm2.
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Aufgrund
der Farbunterschiede der beiden Seiten erfolgte die Zusammenstellung
der MEA schnell und leicht.
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Beispiel 2:
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Die
in diesem Beispiel verwendete mit Katalysator beschichtete Membran
(CCM) war identisch zu derjenigen, die in Beispiel 1 verwendet wurde,
an Stelle der Schutzfolienschichten mit verschiedenen Farben wurden
jedoch verschieden farbige Dichtungsschichten (d. h. Versiegelungsschichten)
auf die CCM aufgebracht. Elastomere Materialien (Silikonelastomer
VMQ 0,4 mm dick, mit roter Farbe und mit schwarzer Farbe) wurden
als Versiegelungs schichten für
die PEM-Brennstoffzelle verwendet. Das Elastomer wurde zu rechteckigen
Rahmen mit einer Breite von 2 mm mit einer Öffnung von einer Größe von 74
mm mal 74 mm geschnitten. Ein Rahmen von elastomerem Material mit
roter Farbe und ein Rahmen von elastomerem Material mit schwarzer
Farbe wurden bereitgestellt. Auf einer Oberfläche von beiden Rahmen wurde
jeweils flüssiger
Klebstoff mit einem Pinsel aufgetragen. Die mit Katalysator beschichtete
Membran wurde dann zwischen den Rahmen platziert, wobei die beschichtete
Rahmenoberfläche
zur Membran zeigte. Der rote Versiegelungsrahmen wurde auf die Kathodenseite
platziert und der schwarze Versiegelungsrahmen wurde auf die Anodenseite
der CCM platziert, und die Einheit wurde mit zwei Lagen von PTFE-Zuschnitten
bedeckt. Die Versiegelungsrahmen wurden auf den Umfangsrand der
Membran der mit Katalysator beschichteten Membran derart positioniert,
dass sie eng den mit aktivem Katalysator beschichteten Bereich auf
beiden Seiten der CCM umschlossen. Es wurde eine Laminierung des
Pakets bei 10 bar bei Raumtemperatur 2 Minuten lang durchgeführt.
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Die
mit Katalysator beschichtete Membran mit angebrachten Versiegelungsrahmen
und zwei GDLs wurde wieder zu einer PEM-Einzelzelle zusammengesetzt
und in einem Wasserstoff/Luft-Betrieb bei 1,0 bar/70°C für einen
verlängerten
Zeitraum von 300 Stunden getestet. Es wurde eine ausgezeichnete
Langzeitleistung erhalten. Eine mikroskopische Untersuchung der
mit Katalysator beschichteten Membran zeigte keine Anzeichen von
Beschädigung,
weder in den Versiegelungsrahmen noch an der Grenzfläche zwischen
dem Versiegelungsrahmen und dem aktiven Bereich der CCM.
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Beispiel 3:
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Eine
mit Katalysator beschichtete Membran (CCM, Typ 7C, OMG AG & Co. KG, Hanau)
wurde in eine 5-schichtige MEA durch Anbringen von zwei GDL-Grundstoffen
(Toray TGP-H-060)
auf beide Seiten der CCM überführt. Die
Gasverteilerschichten wurden hydrophob behandelt und umfassten eine
zusätzliche
Ruß-Mikroschicht.
Zwei Rahmen von Folienmaterialien auf Polyurethanbasis (PU-Typ weiß und PU-Typ
schwarz) mit einer Dicke von 150 μm wurden
auf beide GDLs aufgebracht. Diese siebenschichtige Sandwich-Einheit
wurde bei 200°C
bei einem Druck von 30 bar 2 Minuten lang laminiert. Nach diesem
Verfahren wurde eine zweifarbige 5-schichtige MEA erhalten. Aufgrund
der verschiedenen Farben der Folienmaterialien konnten die Anoden-
und die Kathodenseite der MEA leicht unterschieden werden.
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Beispiel 4:
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Eine
mit Katalysator beschichtete Membran (CCM, Typ 7C, OMG AG & Co. KG, Hanau)
wurde durch Anbringen von zwei GDL-Grundstoffen (Toray TGP-H-060)
auf beide Seiten der CCM in eine 5-schichtige MEA überführt. Die
Gasverteilerschichten wurden hydrophob behandelt und umfassten eine zusätzliche
Ruß-Mikroschicht.
Die 5-schichtige MEA wurde in eine geeignete Form überführt und
ein zweifarbiger Versiegelungsrand wurde mittels Spritzguss um den
Außenrand
der MEA aufgebracht.