DE-102025126067-A1 - MEMBRAN-ELEKTRODEN-ANORDNUNG FÜR DIE WASSERELEKTROLYSE UND VERFAHREN ZU IHRER HERSTELLUNG

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Abstract

Eine Membran-Elektroden-Anordnung für die Wasserelektrolyse umfasst eine Festelektrolytmembran und eine Anodenkatalysatorschicht und eine Kathodenkatalysatorschicht, die die Festelektrolytmembran sandwichartig umschließen. Die Festelektrolytmembran umfasst eine Festelektrolytschicht und eine Funktionsschicht, die auf einer anodenseitigen Oberfläche der Festelektrolytschicht angeordnet ist. Die Anodenkatalysatorschicht ist auf einer Oberfläche der Festelektrolytmembran in der Nähe der Funktionsschicht angeordnet. Die Kathodenkatalysatorschicht ist auf einer Oberfläche der Festelektrolytmembran gegenüber der Funktionsschicht angeordnet. Die Funktionsschicht enthält ein Harz und katalytische Metallpartikel, die in dem Harz dispergiert sind.

Inventors

Tomoki Kodama
Yasuhiro Akita

Assignees

TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI KAISHA

Dates

Publication Date: 20260507
Application Date: 20250703
Priority Date: 20241106

Claims (4)

Membran-Elektroden-Anordnung für eine Wasserelektrolyse, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung eine Festelektrolytmembran und eine Anodenkatalysatorschicht und eine Kathodenkatalysatorschicht umfasst, die die Festelektrolytmembran sandwichartig umschließen, wobei die Festelektrolytmembran eine Festelektrolytschicht und eine Funktionsschicht umfasst, die auf einer anodenseitigen Oberfläche der Festelektrolytschicht angeordnet ist, die Anodenkatalysatorschicht auf einer Oberfläche der Festelektrolytmembran in der Nähe der Funktionsschicht angeordnet ist, die Kathodenkatalysatorschicht auf einer Oberfläche der Festelektrolytmembran gegenüber der Funktionsschicht angeordnet ist, und die Funktionsschicht ein Harz und in dem Harz dispergierte katalytische Metallpartikel enthält.
Membran-Elektroden-Anordnung nach Anspruch 1 , wobei die katalytischen Metallpartikel eine oder mehrere Arten enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Pt, Au, Pd, Rh und Ir besteht.
Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Wasserelektrolyse, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen einer Elektrolytmembranfolie, die eine vorhandene Rückseitenfolie und eine an der vorhandenen Rückseitenfolie befestigte Festelektrolytmembran umfasst, wobei die Festelektrolytmembran eine Festelektrolytschicht und eine Funktionsschicht umfasst, die auf einer Oberfläche der Festelektrolytschicht gegenüber der vorhandenen Rückseitenfolie angeordnet ist; Anbringen einer neuen Rückseitenfolie an einer Oberfläche der Festelektrolytmembran in der Nähe der Funktionsschicht durch Thermokompressionsbindung, indem die Elektrolytmembranfolie und die neue Rückseitenfolie laminiert werden, um ein Laminat zu bilden, sodass die neue Rückseitenfolie mit der Oberfläche der Festelektrolytmembran in der Nähe der Funktionsschicht in Kontakt steht, und Erwärmen des Laminats, während das Laminat von beiden Seiten in eine Laminierrichtung unter Druck gesetzt wird; Ablösen der vorhandenen Rückseitenfolie von der Festelektrolytmembran; Ausbilden einer Kathodenkatalysatorschicht auf einer Oberfläche der Festelektrolytmembran gegenüber der Funktionsschicht nach dem Ablösen der vorhandenen Rückseitenfolie; Ablösen der neuen Rückseitenfolie von der Festelektrolytmembran nach dem Bilden der Kathodenkatalysatorschicht; und Bilden einer Anodenkatalysatorschicht auf der Oberfläche der Festelektrolytmembran in der Nähe der Funktionsschicht nach dem Ablösen der neuen Rückseitenfolie.
Verfahren zur Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung nach Anspruch 3 , wobei beim Anbringen die Erwärmungstemperatur beim Erwärmen des Laminats unter Druckbeaufschlagung des Laminats von beiden Seiten in der Laminierrichtung 120 °C oder mehr und eine thermische Zersetzungstemperatur oder weniger beträgt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Anordnung für die Wasserelektrolyse zur Verwendung in einer Wasserelektrolysevorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung für die Wasserelektrolyse. 2. Beschreibung des Standes der Technik In den letzten Jahren wurden Wasserelektrolysevorrichtungen eingesetzt, in denen eine vorbestimmte Anzahl von Wasserelektrolysezellen mit Festelektrolytmembranen angeordnet ist. Eine solche Wasserelektrolysezelle umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Festelektrolytmembran und einer Anodenkatalysatorschicht und einer Kathodenkatalysatorschicht, die die Festelektrolytmembran sandwichartig umschließen. Als Membran-Elektroden-Anordnung für die Wasserelektrolyse ist beispielsweise eine Membran-Elektroden-Anordnung bekannt, bei der eine Katalysatorschicht unter Verwendung eines Katalysatorschicht-bildenden Materials gebildet wird, das Katalysatorpartikel und eine Elektrolytkomponente als Hauptkomponenten enthält, und wobei die Katalysatorpartikel und die Elektrolytkomponente, die die Katalysatorschicht bilden, eine Gradientenverteilung aufweisen, so dass die Elektrolytkomponente in der Katalysatorschicht in der Nähe der Oberfläche der Katalysatorschicht nicht ungleichmäßig verteilt ist (Japanische unveröffentlichte Patentanmeldung Nr. 2001-303285 (JP 2001-303285 A)). Als Verfahren zur Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung für die Wasserelektrolyse ist beispielsweise ein Verfahren offenbart, das Folgendes umfasst: einen ersten Formungsschritt, bei dem entweder eine Anodenkatalysatorschicht oder eine Kathodenkatalysatorschicht auf einer zweiten Oberfläche gegenüber einer ersten Oberfläche einer länglichen Elektrolytmembran gebildet wird, wobei eine Trägerfolie, die die Elektrolytmembran in einem gestreckten Zustand hält, an der ersten Oberfläche angebracht ist; einen ersten Befestigungsschritt, bei dem ein Stützelement von der ersten Oberfläche der Elektrolytmembran abgezogen und ein Diffusionselement, das eine Diffusionsschicht zum Diffundieren eines Fluids bildet, das einen Brennstoff oder ein Oxidationsmittel bildet, das für eine elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle erforderlich ist, an der zweiten Oberfläche befestigt wird; einen zweiten Formungsschritt, bei dem die andere Katalysatorschicht auf der ersten Oberfläche gebildet wird; und einen zweiten Befestigungsschritt, bei dem das Diffusionselement an der ersten Oberfläche befestigt wird. Das Verfahren wird durch einen Roll-to-Roll-Prozess durchgeführt (japanische unveröffentlichte Patentanmeldung Nr. 2015-35256 (JP 2015-35256 A)). KURZFASSUNG DER ERFINDUNG In der Membran-Elektroden-Anordnung für eine Wasserelektrolyse und dem Herstellungsverfahren gemäß dem Stand der Technik wurden die Zusammensetzung und das Herstellungsverfahren der Katalysatorschicht verbessert, um die Wasserelektrolyseleistung der Wasserelektrolysezelle zu verbessern. Um die Sicherheit der Wasserelektrolysezelle zu gewährleisten, ist es notwendig, die Bildung von explosivem Knallgas zu unterdrücken, indem die Permeation von auf der Kathodenseite erzeugtem Wasserstoffgas durch die Festelektrolytmembran blockiert wird. Es besteht Bedarf, die Sperrleistung gegen das Durchdringen von Wasserstoffgas durch die Festelektrolytmembran zu verbessern. Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der oben genannten Umstände entwickelt, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Membran-Elektroden-Anordnung für die Wasserelektrolyse bereitzustellen, die die Sperrleistung gegen das Durchdringen von Wasserstoffgas durch eine Festelektrolytmembran verbessern kann, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung für die Wasserelektrolyse bereitzustellen. Um das oben genannte Problem zu lösen, ist eine Membran-Elektroden-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine Wasserelektrolyse. Die Membran-Elektroden-Anordnung umfasst eine Festelektrolytmembran und eine Anodenkatalysatorschicht und eine Kathodenkatalysatorschicht, die die Festelektrolytmembran sandwichartig umschließen. Die Festelektrolytmembran umfasst eine Festelektrolytschicht und eine Funktionsschicht, die auf einer anodenseitigen Oberfläche der Festelektrolytschicht angeordnet bzw. vorgesehen ist. Die Anodenkatalysatorschicht ist auf einer Oberfläche der Festelektrolytmembran in der Nähe der Funktionsschicht angeordnet. Die Kathodenkatalysatorschicht ist auf einer Oberfläche der Festelektrolytmembran gegenüber der Funktionsschicht angeordnet. Die Funktionsschicht enthält ein Harz und katalytische Metallpartikel, die in dem Harz dispergiert sind. Ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für die Wasserelektrolyse. Das Verfahren umfasst: Herstellen einer Elektrolytmembranfolie, die ei