DE19812498C1

DE19812498C1 - Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für Niedertemperaturbrennstoffzellen

Info

Publication number: DE19812498C1
Application number: DE19812498A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Dohle; Bjoern Sandrowski
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1998-03-21
Filing date: 1998-03-21
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2018-03-22

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für Niedertemperaturbrennstoffzellen.

Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektro lyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxida tionsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brenn stoff, z. B. Wasserstoff zugeführt.

Verschiedene Brennstoffzellentypen sind bekannt, so beispielsweise die SOFC-Brennstoffzelle aus der Druck schrift DE 44 30 958 C1 sowie die PEM-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 195 31 852 C1.

Die Betriebstemperatur einer PEM-Brennstoffzelle liegt bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von ca. 80°C. Eine PEM-Brennstoffzelle gehört daher zur Klasse der Niedertemperaturbrennstoffzellen. An der Anode einer PEM-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Brennstoffs mittels eines Katalysators Protonen. Die Protonen passieren den Elektrolyten, der hier Membran genannt wird, und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem vom Oxidationsmittel stammenden Sauerstoff zu Wasser. Elektronen werden dabei freigesetzt und elektrische Energie erzeugt.

Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzie lung großer Leistungen seriell miteinander durch ver bindende Elemente zu einem sogenannten Brennstoffzel lenstapel verbunden. Ein Beispiel für ein solches ver bindendes Element stellt die aus DE 44 10 711 C1 be kannte bipolare Platte dar.

Als Brennstoff kann unter anderem Methan oder Methanol vorgesehen werden. Die genannten Brennstoffe werden durch Reformierung oder Oxidation u. a. in Wasserstoff oder wasserstoffreiches Gas umgewandelt.

Aus der Druckschrift DE 195 19 847 C1 ist bekannt, Brennstoff wie Methan intern, das heißt unmittelbar an der Anode einer SOFC-Brennstoffzelle zu reformieren. Der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Akten zeichen 196 46 354.8-45 ist zu entnehmen, daß Brenn stoff wie Methanol an der Anode einer PEM-Brennstoff zelle mittels eines Katalysators wie Platin oxidiert werden kann und so Wasserstoff freigesetzt wird.

Katalysatormaterialien wie Platin sind teuer. Katalysatormaterialien sind daher bei der Herstellung von Elektroden sparsam einzusetzen.

Aus der Druckschrift DE 196 06 612 A1 ist bekannt, daß eine für Niedertemperaturbrennstoffzellen geeignete Elektrode materialsparend und genau durch Aufspritzen einer Suspension auf eine Elektrolytschicht hergestellt werden kann. Die Suspension enthält dann u. a. das benötigte Katalysatormaterial wie zum Beispiel Platin.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines weiter verbesserten Verfahrens zur materialsparenden Herstellung von Elektroden der eingangs genannten Art.

Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst, indem zunächst eine Mischung, die eine Nafionlösung und Katalysatormaterial enthält, auf einen zum Beispiel aus Teflon bestehenden Träger dosiert aufgebracht wird. Die Mischung kann insbesondere durch Spritzen dosiert und folglich auch sparsam aufgebracht werden. Während des Aufbringens wird der Träger und die Schicht durchstrahlt, also zum Beispiel mit Licht durchleuchtet. Die dabei auftretende Absorption der Strahlung wird verwendet, um die dosierte Aufbringung der Mischung zu steuern. Stellen mit zuwenig Katalysatormaterial können durch Absorptionsunterschiede erkannt und korrigiert werden. Nach Trocknung der auf dem Träger aufgebrachten Mischung entsteht eine hochporöse Schicht, die sehr dünn sein kann (1 bis 10 µm, insbesondere 5 µm).

Die Ausdehnung der Schicht kann nach ihrer Aufbringung auf einfache Weise noch verändert und somit an Erfordernisse angepaßt werden, indem entsprechend (getrocknetes) Material vom Träger entfernt wird. Die verbleibende Schicht wird mit einer Membran (Elektrolyt) für Niedertemperaturbrennstoffzellen verpreßt.

Das vom Träger entfernte Material kann wiederverwertet, also z. B. erneut in der Mischung eingesetzt werden. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung einer Elektrode, die aus unterschiedlichen Schichten besteht, indem Schichten nacheinander in verschiedener Zusammensetzung auf den Träger aufgebracht werden. Bei Bedarf kann die Mischung mit Wasser und/ oder Iso- Propanol verdünnt werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Träger einen Rahmen auf. Nach dem Aufbringen der Mischung auf den Träger wird der Rahmen entfernt. Es verbleibt auf dem Träger eine Schicht, deren Ausdehnung durch die Größe und Form des Rahmens vorgegeben worden ist. Auf einfache Weise kann so die Form einer Elektrode definiert hergestellt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für Nieder temperaturbrennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das Katalysatormaterial für die Elektrode in einer Nafionlösung suspendiert und
b) die so erhaltene Suspension auf einen einer Strah lung ausgesetzten Träger aufgebracht wird,
c) wobei über die während des Aufbringens der Suspensi on ermittelte Änderung der Absorption der das Trägerma terial durchdringenden Strahlung die Dosierung der auf zubringenden Suspension gesteuert wird,
d) worauf die erhaltene Suspensionsschicht getrocknet und
e) danach mit einer für Niedertemperaturbrennstoffzel len geeigneten Membran verpreßt wird.