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DE102020124217A1 - Verfahren zur Herstellung einer katalysatorbeschichteten Membran - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer katalysatorbeschichteten Membran Download PDF

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DE102020124217A1
DE102020124217A1 DE102020124217.4A DE102020124217A DE102020124217A1 DE 102020124217 A1 DE102020124217 A1 DE 102020124217A1 DE 102020124217 A DE102020124217 A DE 102020124217A DE 102020124217 A1 DE102020124217 A1 DE 102020124217A1
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catalyst
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Audi AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM), umfassend die Schritte:- Anfertigen und/oder Bereitstellen wenigstens einer ersten Tinte (16) mit einer ersten Tintenzusammensetzung, umfassend geträgerte Katalysatorpartikel (13), protonenleitfähiges lonomer (15) und Dispersionsmittel, in welcher der Anteil der geträgerten Katalysatorpartikel (13) hinter dem Anteil des protonenleitfähigen Ionomers (15) zurückbleibt,- Abwickeln eines bahnförmigen, auf einer Rolle (22) bereitgestellten, protonenleitfähigen Membranmaterials (20),- Auftragen von wenigstens einer Schicht der ersten Tinte (16) mit einem ersten Auftragungswerkzeug (17) auf zumindest einen Abschnitt des Membranmaterials (20), und- Aufstäuben eines Katalysatorpulvers bestehend aus oder umfassend Katalysatorpartikel (13) auf eine von dem Membranmaterial (20) abgewandte Oberfläche der äußersten Tintenschicht mittels einer Bestäubungseinrichtung (29).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM für „catalyst coated membrane“).
  • Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente eine protonenleitfähige (Elektrolyt-)Membran, der Elektroden zugeordnet sind. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt. In Falle eines wasserstoffhaltigen Gemisches wird dieses zunächst reformiert und so Wasserstoff bereit gestellt. An der Anode findet eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen statt. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet.
  • Die Druckschriften WO 2008 106 504 A2 , WO 2016 149 168 A1 und WO 2002 043 171 A2 beschreiben die industrielle Fertigung von katalysatorbeschichteten Membranen, wobei die Membran bahnförmig bereitgestellt wird um nachfolgend mit Elektrodenmaterial beschichtet zu werden. Insbesondere die WO 2008 106 504 A2 schlägt dabei die Beschichtung des Membranmaterials von einer Rolle auf eine Rolle vor, wobei unterschiedliche Tintenzusammensetzungen für die Beschichtung des Substrats genutzt werden.
  • Im Betrieb der Brennstoffzelle hat es sich herausgestellt, dass gerade auf der Kathodenseite der Membranelektrodenanordnung der größte Feuchtigkeits- oder Flüssigkeitsanfall vorliegt, sodass ein effizientes Wassermanagement durch eine geeignete Zusammensetzung der Katalysatorschicht erforderlich ist.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer katalysatorbeschichteten Membran derart weiterzubilden, dass eine verbesserte Partikelverteilung der Katalysatorpartikel und damit einhergehend eine verbesserte Effizienz und ein verbessertes Wassermanagement der Brennstoffzelle gegeben sind.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst insbesondere die folgenden Schritte:
    • - Anfertigen und/oder Bereitstellen einer ersten Tinte mit einer ersten Tintenzusammensetzung, umfassend geträgerte Katalysatorpartikel, protonenleitfähiges lonomer und Dispersionsmittel, in welcher der Anteil der geträgerten Katalysatorpartikel hinter dem Anteil des protonenleitfähigen Ionomers zurückbleibt,
    • - Abwickeln eines bahnförmigen, auf einer Rolle bereitgestellten, protonenleitfähigen Membranmaterials,
    • - Auftragen von wenigstens einer Schicht der ersten Tinte mit einem ersten Auftragungswerkzeug auf zumindest einen Abschnitt des Membranmaterials,
    • - Aufstäuben eines Katalysatorpulvers bestehend aus oder umfassend Katalysatorpartikel auf eine von dem Membranmaterial abgewandte Oberfläche der äußersten Tintenschicht mittels einer Bestäubungseinrichtung.
  • Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein mehrstufiger Prozess mit unterschiedlichen Dichten an Katalysatorbeladungen verwendet werden, wobei diejenige Schicht, die direkten Kontakt mit der Membran hat, einen größeren Anteil des Ionomers und damit einen geringeren Anteil an Katalysatorpartikeln aufweist als die Schicht am Rand der Elektrode der katalysatorbeschichteten Membran. Die abschließende - insbesondere poröse und daher nur teilgeschlossene - Schicht aus Katalysatorpartikeln auf der äußersten Tintenschicht bewirkt, dass an der von der protonenleitfähigen (Kern-)Membran am weitest entfernt gelegenen Stelle der CCM das größte Katalysatoraufkommen vorherrscht, wodurch die Brennstoffzellenreaktion zusätzlich begünstigt wird. Gerade am Übergang der Elektrode zu der zu ihr benachbarten Gasdiffusionslage liegt auf diese Weise eine erhöhte Katalysatordichte vor. Dies spiegelt den wesentlichen Vorteil einer beschleunigten Reaktionsfähigkeit an der äußeren Schicht der jeweiligen Elektrode wieder, da auf diese Weise dort eine größere Anzahl an Partikeln und somit ein größerer Anteil an Katalysatoren für die Brennstoffzellenreaktion vorliegt. Dies ist insbesondere deshalb von Vorteil, da für den Einsatz, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, eine Vielzahl solcher Membranelektrodenanordnungen vonnöten sind, um die gewünschte Leistung bereitzustellen. Durch die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren realisierbare, bloß stufenweise, Erhöhung der Katalysatordichte, die mit steigendem Abstand von der Membran ansteigt, lässt sich das zumeist sehr teure Katalysatormaterial einsparen. Membrannahe Tintenzusammensetzungen können dabei außerdem derart bemessen sein, dass diese einen geringeren Anteil an schädigenden Bestandteilen für die zu ihnen benachbarte Membran besitzen als weiter entfernt liegende Tintenzusammensetzungen.
  • Es ist die vorteilhafte Möglichkeit gegebenen, dass wenigstens eine zweite Tinte angefertigt und/oder bereitgestellt wird, die die geträgerten Katalysatorpartikel, das protonenleitfähige lonomer und das Dispersionsmittel umfasst, wobei der Anteil des protonenleitfähigen Ionomers hinter dem Anteil der geträgerten Katalysatorpartikel zurückbleibt. Hierbei wir dann wenigstens eine Schicht der zweiten Tinte auf eine äußerste Schicht der ersten Tinte aufgetragen, bevor das Katalysatorpulver aufgestäubt wird. Somit lässt sich ebenfalls eine stufenweise Steigerung der Dichte an Katalysatorpartikeln realisieren.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass auch eine Mehrzahl von drei oder mehr Tinten zum Einsatz kommen können und deshalb die vorliegende Erfindung nicht auf zwei Tinten und zwei Tintenzusammensetzungen beschränkt ist. Die Bestäubung mit Katalysatorpulver erfolgt vorzugsweise stets nach der Auftragung der äußersten Tintenschicht. Es besteht grundsätzlich aber auch die Möglichkeit Zwischenschichten aus Katalysatorpulver aufzustäuben.
  • Um zugleich die Kathode und die Anode auf die Membran aufzubringen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die erste Tinte mit dem ersten Auftragungswerkzeug beidseits auf das Membranmaterial aufgetragen wird, wenn zeitlich nachfolgend insbesondere die zweite Tinte mit dem zweiten Auftragungswerkzeug beidseits auf die jeweils äußerste, auf das Membranmaterial aufgetragene, Schicht der ersten Tinte aufgetragen wird, und wenn zeitlich dem Auftragen der zweiten Tinte nachfolgend beidseits auf die jeweils äußerste Tintenschicht das Katalysatorpartikelpulver aufgestäubt wird.
  • Es ist die Möglichkeit gegeben, dass das mit der ersten Tinte beschichtete Membranmaterial an eine Zwischentrocknungseinheit gefördert wird, in welcher die erste Tinte getrocknet wird, bevor die zweite Tinte aufgetragen wird. Auf diese Weise lässt sich ein Durchmischen der einzelnen Tintenbeschichtungen vermeiden, sodass eine definierte - sich insbesondere stufenweise erhöhende - Verteilung der Katalysatorpartikel in jeder Tintenbeschichtung bis zum Rand der Elektrode vorliegt.
  • Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Katalysatorpulver auf die sich noch im feuchten oder nassen Zustand befindliche äußerste Tintenschicht aufgestäubt wird. Auf diese Weise können die einzelnen Katalysatorpartikel beim Bestäuben in die äußerste Schicht teilweise eindringen, wodurch sie zuverlässig in den Verbund der finalen katalysatorbeschichteten Membran (CCM) gebunden werden.
  • Es ist auch sinnvoll, wenn die Katalysatorpartikel auf die äußerste Tintenschicht aufgestäubt werden, wenn diese ausschließlich teilgetrocknet vorliegt, denn so lässt sich aufgrund der kraft Teiltrocknung gesteigerten Viskosität der äußersten Tintenschicht gewährleisten, dass die aufgestäubten Katalysatorpartikel nicht zu tief in die äußerste Tintenschicht eindringen.
  • Das aufgestäubte Katalysatorpulver kann wiederum aus geträgerten, insbesondere kohlenstoffgeträgerten, Katalysatorpartikeln bestehen. Es besteht aber auch die Möglichkeit ungeträgerte Katalysatorpartikel für die Katalysatorbestäubung zu verwenden.
  • Der Herstellprozess lässt sich dadurch beschleunigen, dass die Zwischentrocknungseinheit ausschließlich derart eingerichtet ist, um die erste Tinte ausschließlich teilzutrocknen, sodass sich lediglich ein trockener Randfilm aus erster Tinte ergibt, auf welchem die zweite Tinte aufgetragen wird. Auf diese Weise ist die Prozesszeit verkürzt, da lediglich ein Teil der ersten Tinte getrocknet wird, auf welchen die zweite Tinte aufgebracht werden kann, ohne dass eine Durchmischung der beiden Tinten erfolgt.
  • Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn nach dem Auftragen der ersten Tinte eine Schichtdickenmessung der Schicht der ersten Tinte durchgeführt wird. Diese Schichtdickenmessung kann beispielsweise trocken oder auch nass erfolgen. Durch die Information über die Schichtdicke der ersten Tinte auf dem Membranmaterial lassen sich unterschiedliche Parameter regeln, die Einfluss auf die spätere elektrochemische Reaktion haben. Beispielsweise kann bei einer zu dicken Auftragung der ersten Tinte veranlasst werden, dass die erste Tinte auf nachfolgende Abschnitte des Membranmaterials in geringerer Weise aufgetragen wird, um die Schichtdicke nachfolgender Membranmaterialabschnitte mit erster Tinte zu verringern. Auf diese Weise ist es also möglich, dass die erste Tinte auf nachfolgende Abschnitte des Membranmaterials in Abhängigkeit der gemessenen Schichtdicke vorausgehender Abschnitte des Membranmaterials aufgetragen wird.
  • Insgesamt kann aber auch eine finale (Grenz-)Elektrodendicke vorgegeben sein, sodass es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die danach aufzutragende zweite Tinte und/oder das danach aufgestäubte Katalysatorpulver in Abhängigkeit der gemessenen Schichtdicke der ersten Tinte zur Begrenzung einer Elektrodendicke aufgetragen wird.
  • Es ist auch möglich, dass nach dem Aufstäuben des Katalysatorpulvers eine Schichtdickenmessung der Elektrodendicke durchgeführt wird, und dass die erste Tinte und/oder die zweite Tinte und/oder das Katalysatorpulver auf nachfolgende Abschnitte des Membranmaterials in Abhängigkeit der gemessenen Elektrodendicke aufgetragen wird. Auch auf diese Weise ist es möglich, eine vorgegebene Grenzelektrodendicke einzuhalten.
  • Um das Membranmaterial besser handhaben und gegebenenfalls aufwickeln zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das mit der wenigstens einen Tinte beschichtete und mit dem Katalysatorpulver bestäubte Membranmaterial an eine Trocknungseinheit gefördert wird, in welcher die Beschichtung vollständig getrocknet wird.
  • Es ist ferner von Vorteil, wenn eine Katalysatorpartikelbeladung des mit der wenigstens einen Tinte beschichteten und mit dem Katalysatorpulver bestäubten Membranmaterials mittels einer Röntgenfluoreszenzanalyse bestimmt wird, und wenn der Anteil an Katalysatorpartikeln in den Tinten in Abhängigkeit der gemessenen Katalysatorpartikelbeladung eingestellt wird. Auf diese Weise kann schon frühzeitig auf einen Überschuss oder auf ein Zurückbleiben der Katalysatorpartikel in den Tinten oder der aufgestäubten Katalysatorpartikel-Pulverschicht reagiert werden, womit der Anteil an Ausschuss, also von schlecht hergestellten katalysatorbeschichteten Membranen, herabgesetzt werden kann.
  • Zur späteren Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn das mit der wenigstens einen Tinte beschichtete und mit dem Katalysatorpulver bestäubte Membranmaterial in einzelne katalysatorbeschichtete Membranen (CCM) zerschnitten wird.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Brennstoffzelle,
    • 2 eine lediglich schematisch dargestellte Detailansicht II einer Elektrode aus 1, und
    • 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Herstellen einer katalysatorbeschichteten Membran in einer Seitenansicht.
  • In 1 ist eine Brennstoffzelle 1 gezeigt. Hierbei ist eine semipermeable Elektrolytmembran 2 auf einer ersten Seite 3 mit einer ersten Elektrode 4, vorliegend der Anode, und auf einer zweiten Seite 5 mit einer zweiten Elektrode 6, vorliegend der Kathode, bedeckt. Die erste Elektrode 4 und die zweite Elektrode 6 umfassen Trägerpartikel 14, auf denen Katalysatorpartikel 13 aus Edelmetallen oder Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen, angeordnet oder geträgert sind. Diese Katalysatorpartikel 13 dienen als Reaktionsbeschleuniger bei der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle 1. Die Trägerpartikel 14 können kohlenstoffhaltig sein. Es kommen aber auch Trägerpartikel 14 in Betracht, die aus einem Metalloxid gebildet sind oder Kohlenstoff mit einer entsprechenden Beschichtung. In einer derartigen Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der ersten Elektrode 5 (Anode) Brennstoff oder Brennstoffmoleküle, insbesondere Wasserstoff, in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Elektrolytmembran 2 lässt die Protonen (z.B. H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). Die Elektrolytmembran 2 ist bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe).
  • Während die Protonen durch die Elektrolytmembran 2 zur zweiten Elektrode 6 (Kathode) hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. An der Kathode ist ein Kathodengas, insbesondere Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft, bereitgestellt, so dass hier die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
  • Vorliegend ist den Elektroden 4, 6 jeweils eine Gasdiffusionslage 7, 8 zugeordnet, wovon die eine Gasdiffusionslage 7 der Anode und die andere Gasdiffusionslage 8 der Kathode zugeordnet ist. Zudem ist der anodenseitigen Gasdiffusionslage 7 eine als Bipolarplatte 9 gestaltete Flussfeldplatte zur Zuführung des Brennstoffgases zugeordnet, die über ein Brennstoffflussfeld 11 verfügt. Mittels des Brennstoffflussfeldes 11 wird der Brennstoff durch die Gasdiffusionslage 7 hindurch der Elektrode 4 zugeführt. Kathodenseitig ist der Gasdiffusionslage 8 eine ein Kathodengasflussfeld 12 umfassende, ebenfalls als Bipolarplatte 10 gestaltete Flussfeldplatte zur Zuführung des Kathodengases an die Elektrode 6 zugeordnet.
  • Die Elektroden 4, 6 sind vorliegend mit einer Mehrzahl an Katalysatorpartikeln 13 gebildet, die als Nanopartikel, zum Beispiel als Kern-Hülle-Nanopartikel („core-shell-nanoparticles“) gebildet sein können. Sie weisen den Vorteil einer großen Oberfläche auf, wobei das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung lediglich an der Oberfläche angeordnet ist, während ein geringerwertiges Metall, beispielsweise Nickel oder Kupfer, den Kern des Nanopartikels bilden.
  • Die Katalysatorpartikel 13 sind auf einer Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Trägerpartikeln 14 angeordnet oder geträgert. Zudem ist zwischen den Trägerpartikeln 14 und/oder den Katalysatorpartikeln 13 ein lonomerbinder 15 vorhanden, der vorzugsweise aus demselben Material wie die Membran 2 gebildet ist. Dieser lonomerbinder 15 ist vorzugsweise als ein eine perfluorierte Sulfonsäure enthaltendes Polymer oder lonomer gebildet. Der lonomerbinder 15 liegt vorliegend in einer porösen Form vor, der eine Porosität von größer als 30 Prozent aufweist. Dies gewährleistet, insbesondere auf der Kathodenseite, dass der Sauerstoffdiffusionswiderstand nicht erhöht wird und dadurch eine geringere Beladung des Katalysatorpartikels 13 mit Edelmetall oder eine geringere Beladung der Trägerpartikel 14 mit Katalysatorpartikeln 13 ermöglicht ist (2).
  • Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM) beschrieben. Zunächst wird eine erste Tinte 16 angefertigt und/oder bereitgestellt, die eine erste Tintenzusammensetzung umfassend geträgerte Katalysatorpartikel 13, protonenleitfähiges lonomer 15 und Dispersionsmittel umfasst. Das lonomer 15 ist vorzugsweise aus demselben Material wie die Membran 2 gebildet. Als Dispersionsmittel kommen beispielsweise Isopropanol oder Aceton in Betracht. In dieser ersten Tinte 16 bleibt der Anteil der geträgerten Katalysatorpartikel hinter dem Anteil des protonenleitfähigen Ionomers 15 zurück. Ferner wird eine zweite Tinte 18 angefertigt oder bereitgestellt, die eine Tintenzusammensetzung umfassend die geträgerten Katalysatorpartikel 13, das protonenleitfähige lonomer 15 und das Dispersionsmittel aufweist. In dieser zweiten Tinte 18 bleibt der Anteil des protonenleitfähigen Ionomers 15 hinter dem Anteil der geträgerten Katalysatorpartikel 13 zurück. Vorzugsweise ist unter einem „Zurückbleiben“ ein Unterschied von wenigstens 10 Prozent, weiterhin vorzugsweise von wenigstens 30 Prozent und ganz besonders bevorzugt von mindestens 50 Prozent in den Anteilen zu verstehen. Abschließend ist auf die äußerste Tintenschicht eine Katalysatorpulverbeschichtung 30 aus geträgerten Katalysatorpartikeln 13 aufgestäubt, was den abschließenden Rand der jeweiligen Elektrode 4, 6 darstellt, der an die jeweils benachbarte Gasdiffusionslage 7, 8 angrenzt.
  • Ausweislich von 3, wird ein bahnförmiges, auf einer Rolle 22 bereitgestelltes, protonenleitfähiges Membranmaterial abgerollt und in einer Förderrichtung 21 zunächst an eine Folienreinigungseinheit 25 geführt, in welcher das Membranmaterial 20 staubfrei und frei von Ablagerungen gereinigt wird. Anschließend wird das Membranmaterial 20 in Förderrichtung 21 weitertransportiert zu einem ersten Auftragungswerkzeug 17, mit welchem die erste Tinte 16 auf zumindest einen Abschnitt, vorzugsweise vollständig auf das Membranmaterial 20 aufgetragen wird. In Förderrichtung 21 dem ersten Auftragungswerkzeug 17 nachfolgend erfolgt eine Schichtdickenmessung der Schicht der ersten Tinte 16 mittels einer Schichtdickenmesseinrichtung 27. In Förderrichtung 21 dem ersten Auftragungswerkzeug 17 nachfolgend ist eine Zwischentrocknungseinheit 23 vorgesehen, um die erste Tinte 16 zu trocknen, bevor sie mit einer weiteren Tinte bedruckt wird. Die vorliegend gezeigte Zwischentrocknungseinheit 23 ist ausgebildet, die erste Tinte 16 ausschließlich teilzutrocknen, um dort einen trockenen Randfilm aus erster Tinte 16 zu bilden, bevor die zweite Tinte 18 in Förderrichtung 21 nachfolgend mit einem zweiten Auftragungswerkzeug 19 auf eine äußerste, auf das Membranmaterial 20 aufgetragene, Schicht der ersten Tinte 16 aufgetragen wird. In Förderrichtung 21 dem zweiten Auftragungswerkzeug 19 nachfolgend ist erneut eine Schichtdickenmesseinrichtung 27 vorhanden, um die aus erster Tinte 16 und zweiter Tinte 18 gebildete Beschichtung auszumessen. Mit dieser Schichtdickenmesseinrichtung 27 kann eine Messung der vorherrschenden Nassfilmdecke erfolgen. In Förderrichtung 21 dem zweiten Auftragungswerkzeug 19 nachfolgend ist Bestäubungseinrichtung 29 vorhanden, mit welcher ein Pulver bestehend aus oder umfassend Katalysatorpartikel 13 auf eine von dem Membranmaterial 20 abgewandte Oberfläche der äußersten Tintenschicht aufgestäubt wird. Dieses Katalysatorpulver kann auf die sich noch im feuchten oder nassen Zustand befindliche äußerste Tintenschicht aufgestäubt wodurch sie teilweise in die äußerste Tintenschicht eindringt und somit die Elektrode 4, 6 vervollständigt. So liegt eine sich mit dem Abstand von der Membran 2 stufenweise steigernde Dichte der Katalysatorpartikel 13 vor. Der Bestäubungseinrichtung 29 folgt in Förderrichtung 21 eine Trocknungseinheit 24, die ausgebildet ist, das mit den Tinten 16, 18 beschichtete und mit dem Katalysatorpulver bestäubte Membranmaterial 20 vollständig zu trocknen. Der Trocknungseinheit 24 ist in Förderrichtung 21 nachfolgend eine weitere Schichtdickenmesseinrichtung 27 nachgeschaltet, die den getrockneten Elektrodenfilm ausmessen kann, beispielsweise mittels eines optischen Schichtdickenmesskopfes. Zusätzlich ist eine Röntgenfluoreszenzanalyseeinheit 26 vorhanden, die die Katalysatorpartikelbeladung des mit den Tinten 16, 18 beschichteten und mit dem Katalysatorpulver bestäubten Membranmaterials 20 bestimmt, wobei der Anteil an geträgerten Katalysatorpartikeln 13 in den Tinten 16, 18 und der Katalysatorpulverbeschichtung 30 dann in Abhängigkeit der gemessenen Katalysatorpartikelbeladung eingestellt werden kann. Bevor das beschichtete Membranmaterial 20 auf der weiteren Rolle 22 wieder aufgerollt wird, wird es an einer Einheit zur Fehlermarkierung 28 vorbeigeführt, mit der etwaig vorhandene Löcher in den Elektrodenschichten oder dergleichen markiert werden können, sodass bei einem anschließenden Zuschnitt des Membranmaterials 20 in einzelne katalysatorbeschichtete Membranen (CCM) ausgeschlossen ist, dass diese eine fehlerhafte Beschichtung aufweisen.
  • Im Ergebnis ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Membranelektrodenanordnungen, die mit Katalysatorpasten oder Tinten 16, 18 beschichtet sind, im industriellem Ausmaß zu fertigen, sodass diese in großer Stückzahl bereitgestellt werden. Die erfindungsgemäß hergestellte katalysatorbeschichtete Membran ist aufgrund der stufenweise Änderungen der Dichte an Katalysatorpartikeln 13 günstiger in der Herstellung. Aufgrund dieses stufenweisen Anstiegs mit steigendem Abstand von der protonenleitenden Membran 2 lässt sich zudem eine Effizienzsteigerung bei der Brennstoffzellenreaktion verzeichnen. Das Verfahren führt zu einer Reduzierung der Taktzeit bei der Herstellung einzelner Brennstoffzellen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzelle
    2
    Elektrolytmembran
    3
    erste Seite der Membran
    4
    Elektrode / Anode
    5
    zweite Seite der Membran
    6
    Elektrode / Kathode
    7
    anodenseitige Gasdiffusionslage
    8
    kathodenseitige Gasdiffusionslage
    9
    Bipolarplatte Brennstoffgas
    10
    Bipolarplatte Kathodengas
    11
    Brennstoffflussfeld
    12
    Kathodengasflussfeld
    13
    Katalysatorpartikel
    14
    Trägerpartikel
    15
    lonomer / lonomerbinder
    16
    erste Tinte
    17
    erstes Auftragungswerkzeug / Auftragungsmittel
    18
    zweite Tinte
    19
    zweites Auftragungswerkzeug / Auftragungsmittel
    20
    Membranmaterial (bahnförmig)
    21
    Förderrichtung
    22
    Rolle
    23
    Zwischentrocknungseinheit
    24
    Trocknungseinheit
    25
    Folienreinigungseinheit
    26
    Röntgenfloureszenzanalyseeinheit
    27
    Schichtdickenmesseinrichtung
    28
    Einheit zur Fehlermarkierung
    29
    Bestäubungseinrichtung
    30
    Katalysatorpulverbeschichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • WO 2016149168 A1 [0003]
    • WO 2002043171 A2 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM), umfassend die Schritte: - Anfertigen und/oder Bereitstellen wenigstens einer ersten Tinte (16) mit einer ersten Tintenzusammensetzung, umfassend geträgerte Katalysatorpartikel (13), protonenleitfähiges lonomer (15) und Dispersionsmittel, in welcher der Anteil der geträgerten Katalysatorpartikel (13) hinter dem Anteil des protonenleitfähigen Ionomers (15) zurückbleibt, - Abwickeln eines bahnförmigen, auf einer Rolle (22) bereitgestellten, protonenleitfähigen Membranmaterials (20), - Auftragen von wenigstens einer Schicht der ersten Tinte (16) mit einem ersten Auftragungswerkzeug (17) auf zumindest einen Abschnitt des Membranmaterials (20), und - Aufstäuben eines Katalysatorpulvers bestehend aus oder umfassend Katalysatorpartikel (13) auf eine von dem Membranmaterial (20) abgewandte Oberfläche der äußersten Tintenschicht mittels einer Bestäubungseinrichtung (29).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite Tinte (18) angefertigt und/oder bereitgestellt wird, umfassend die geträgerten Katalysatorpartikel (13), das protonenleitfähige lonomer (15) und das Dispersionsmittel, in welcher der Anteil des protonenleitfähigen Ionomers (15) hinter dem Anteil der geträgerten Katalysatorpartikeln (13) zurückbleibt, und dass wenigstens eine Schicht der zweiten Tinte (18) auf eine äußerste Schicht der ersten Tinte (16) aufgetragen wird, bevor das Katalysatorpulver aufgestäubt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Tinte (16) mit dem ersten Auftragungswerkzeug (17) beidseits auf das Membranmaterial (20) aufgetragen wird, dass zeitlich nachfolgend die zweite Tinte (18) mit dem zweiten Auftragungswerkzeug (19) beidseits auf die jeweils äußerste, auf das Membranmaterial (20) aufgetragene, Schicht der ersten Tinte (19) aufgetragen wird, und dass zeitlich dem Auftragen der zweiten Tinte (18) nachfolgend beidseits auf die jeweils äußerste Tintenschicht das Katalysatorpartikelpulver aufgestäubt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der ersten Tinte (18) beschichtete Membranmaterial (20) an eine Zwischentrocknungseinheit (23) gefördert wird, in welcher die erste Tinte (16) zur Ausbildung eines trockenen Randfilms aus erster Tinte (16) teilgetrocknet wird bevor die zweite Tinte (18) aufgetragen wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorpulver auf die sich noch im feuchten oder nassen Zustand befindliche äußerste Tintenschicht aufgestäubt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Auftragen der ersten Tinte (16) eine Schichtdickenmessung der Schicht der ersten Tinte (16) durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufstäuben des Katalysatorpulvers eine Schichtdickenmessung der Elektrodendicke durchgeführt wird, und dass die erste Tinte (16) und/oder die zweite Tinte (18) und/oder das Katalysatorpulver auf nachfolgende Abschnitte des Membranmaterials (20) in Abhängigkeit der gemessenen Elektrodendicke aufgebracht wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der wenigstens einen Tinte (16, 18) beschichte und das mit dem Katalysatorpulver bestäubte Membranmaterial (20) an eine Trocknungseinheit (24) gefördert wird, in welcher die Beschichtung vollständig getrocknet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Katalysatorpartikelbeladung des mit der wenigstens einen Tinte (16, 18) beschichteten und mit dem Katalysatorpulver bestäubten Membranmaterials (20) mittels einer Röntgenfloureszenzanalyse bestimmt wird, und dass der Anteil an geträgerten Katalysatorpartikeln (13) in der wenigstens einen Tinte (16, 18) in Abhängigkeit der gemessenen Katalysatorpartikelbeladung eingestellt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der wenigstens einen Tinte (16, 18) beschichtete und mit dem Katalysator bestäubte Membranmaterial (20) in einzelne katalysatorbeschichtete Membranen zerschnitten wird.
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