AT412929B

AT412929B - Qualitätskontrollverfahren von bewegten elektrodenschichten

Info

Publication number: AT412929B
Application number: AT0129203A
Authority: AT
Inventors: Karl Dipl Ing Gruber
Original assignee: Karl Dipl Ing Gruber
Priority date: 2003-08-18
Filing date: 2003-08-18
Publication date: 2005-08-25
Also published as: ATA12922003A; DE102004044490A1

Description

I Einleitung:
Die Brennstoffzelle spielt in Zukunftsszenarien einer Wasserstoffwirtschaft als effizienter Energiedirektumwandler eine wesentliche Rolle. Ihr Einsatzgebiet scheint erstreckt sich von Mikrosystemen über Fahrzeugantriebe bis zum Grosskraftwerk. Als aussichtsreichste Form der BZ hat sich in letzter Zeit die Polymermembranbrennstoffzelle herausgestellt. Ihr Herzstück besteht aus einer Protonen leitenden Membran (z.B. Nafion) die zwischen Anode und Kathode eingebettet liegt.

Zumeist werden Anode und Kathode in Form von katalysatorgetränkten Kohlepasten ("Slurry") auf die Membran, zu beiden Seiten aufgebracht und unter Druck und Wärmebehandlung gefestigt. So entsteht eine Membran Elektroden Einheit (MEA: Membrane Electrode Assembly). Diese MEAs werden nun in geeigneter Reihenfolge aufeinander gestapelt, immer getrennt durch eine sog.

Bipolarplatte, und bilden so einen Brennstoffzellenstack.

Die Herstellmethoden für die MEA und andere Komponenten der Brennstoffzellen wird zumeist noch sehr aufwändig in Einzelanfertigung, im kleinen Labormassstab vollzogen. Ein wesentliches Ziel der Brennstoffzellenerzeuger ist jedoch die Serienfertigung. MEAs können z. B. wie aus Patent EP 1 198 021 A2 bekannt in einem kontinuierlichen Verfahren, in grosser Menge hergestellt werden. Ein nach Stand der Technik nicht gelöstes Problem ist jedoch die Qualitätskontrolle der in grossem Umfang, kontinuierlich hergestellten MEAs. Erst im Brennstoffzelleneinsatz stellt sich ihre Qualität heraus.

Es gibt zwar zahlreiche analytische Möglichkeiten die Zusammensetzung, Kataiysatorpartikelgrösse, Schichtdicke usw. der einzelnen MEAs zu untersuchen, diese können jedoch aus Zeit und Kostengründen nur stichprobenartig durchgeführt werden, und können zumeist nur einen kleinen Bereich der Oberfläche einer MEA abdecken. Ein wesentliches Kriterium, nämlich die gleichmässige Verteilung der Katalysatorpartikel auf der gesamten Oberfläche bzw. die Homogenität der gesamten Anoden bzw. Kathodenschicht kann mit den nach Stand der Technik bekannten Methoden nicht, oder nur sehr unzureichend geprüft werden. In der vorgelegten Erfindung wird beschrieben, wie eine Qualitätskontrolle von MEAs sowohl im kontinuierlichen Betrieb, als auch für Einzelstücke, in einer zeit- und kostensparenden Weise erfolgen kann.

Dabei wird vor allem die Homogenität bzw. die elektrochemische Aktivität der Schichten untersucht.

Figurenübersicht :
Fig.1 Schematische Darstellung der Qualitätskontrolle in einer kontinuierlichen MEA Fertigung.

Fig. 2 Ausführungsbeispiel einer Elektrode in Walzenform, mit scharfkantigen Einstichen wie sie in der Erfindung zum Einsatz kommen kann, in Aufriss und Seitenriss.

Fig. 3 Ausführungsbeispiel einer Elektrode in Walzenform, mit runden Einstichen wie sie in der Erfindung zum Einsatz kommen kann, in Aufriss und Seitenriss.

Fig. 4 Ausführungsbeispiel einer Elektrode in Walzenform, mit runden, spiralförmigen Einstichen wie sie in der Erfindung zum Einsatz kommen kann, in Aufriss und Seitenriss.

II. Beschreibung:
Wenn die Qualität der Elektrodenschicht von MEAs bei einem kontinuierlichen Herstellungsprozess untersucht werden soll, so wird wie in Figur 1 beschrieben vorgegangen. In einem Elektrolytbehälter (1) befindet sich eine wässrige Lösung eines elektrochemisch oxidierbaren Stoffes wie z. B. Methanol, Ethanol, Propanol Glucose und einem pH Wert abhängigen fluoreszierenden Indikator z. B. Chinin. Die MEA taucht in Form eines langen Bandes (2) kontinuierlich in den Behälter ein und tritt behaftet mit einem Elektrolytfilm aus dem Flüssigkeitsbehälter heraus. Das Band durchläuft zwei Walzen die glatt oder strukturiert ausgeführt sein können. An den Walzen ist eine Spannung angelegt in der Weise, dass die obere Walze als Anode und die untere Walze als Kathode fungiert.

Durch das positive Potential das die obere Walze an die Oberfläche der MEA überträgt kommt es dort im Falle einer methanolischen Lösung zur folgenden anodischen Oxidationsreaktion :
CH3OH + H2O # 6H+ + 6e + CO2 (Glg.1)
Das Band tritt aus den Walzen (3,4) aus und wird nun homogen mit UV Licht (5) bestrahlt.

Durch die gebildeten Protonen ist der pH Wert an der Oberfläche der MEA nun deutlich niedriger als zuvor und der Indikator, der in neutraler oder basischer Lösung nicht fluoresziert, wird bei den nun herrschenden sauren Bedingungen aktiv und fluoresziert.

In diesem Verfahren wird erfindungsgemäss die Qualität der Elektrodenschicht einer MEA bei einem kontinuierlichen Herstellungsprozess untersucht indem die Oberfläche eines bewegten MEABandes beim Austritt aus zwei walzenförmigen Elektroden (3,4) mittels Kamera (6) visuell überwacht wird. Aktive Bereiche der MEA Oberfläche treten fluoreszierend hervor, während inaktive Bereiche nicht oder weniger stark fluoreszieren. Während des Austritts aus den Walzen, während bzw. kurz nach der elektrochemischen Belastung- wird die Oberfläche der MEA gefilmt, fotografiert o.ä. und kann z. B. über kommerziell erhältliche Bildbearbeitungssoftware, optisch ausgewertet werden. So kann die Qualität der Elektrodenschicht beurteilt werden. Man erhält von der gesamten MEA Oberfläche ein Bild bei dem sich die aktiven Regionen und die inaktiven Regionen klar unterscheiden.

Je homogener die Oberfläche der MEA fluoresziert desto besser ist die Homogenität der Schicht und desto höher die Qualität. Eine inhomogene Helligkeitsverteilung zeigt eine inhomogene Elektrodenschicht an und damit eine schlechtere Qualität der Schicht.

Bei der Art der elektrochemischen Belastung die über die Walzen auf das MEA Band ausgeübt wird kann es sich um eine potentiostatische oder galvanostatische Belastung handeln deren Form konstant, kontinuierlich steigend, kontinuierlich fallend, treppenförmig steigend, treppenförmig fallend, oder auch pulsartig erfolgen kann.

Nach den Ausführungsbeispielen Fig. 2, Fig. 3, und Fig.4 können verschiedenste Walzengeometrien eingesetzt werden. Bei Figur 2 sind in periodischen Abständen entiang der Waize scharfkantige Einstiche vorgesehen. Die Stege dienen als Kontakt zur MEA, die Freiräume dazwischen als Bereich in dem der Elektrolytfilm ungehindert die Walzen passiert. Figur 3 und Figur 4 zeigen dasselbe Prinzip jedoch mit runden bzw. spiralförmigen Einstichen.

PATENTANSPRÜCHE:
1. Ein Verfahren zur Qualitätskontrolle von Elektrodenschichten bei der kontinuierlichen Her- stellung von Membranelektrodeneinheiten (2) dadurch gekennzeichnet, dass die Homo- genität der fluoreszierenden Schichten, die sich bei anodischer Polarisation, in Elektrolyt- lösungen, mit elektrochemisch oxidierbaren Zusätzen, unter UV Beleuchtung (5) und ge- eignetem Indikator ergeben, ein Massstab für die Homogenität und Qualität der Elektroden- schichten darstellt.

Claims

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die untersuchten Memb- ranelektrodeneinheiten (2) mit einer Relativgeschwindigkeit von 0,001m/s bis 20m/s an einem beliebigen Bildaufnahmegerät (6) vorüberziehen.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuführung und Abführung über zwei gegenüberliegende Walzen (3,4) erfolgt.

4. Ein Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Walzen glatte, rauhe, oder strukturierte Oberflächen (Figur 2,3, 4) besitzen.

5. Ein Verfahren nach Anspruch 1,2,3,4 dadurch gekennzeichnet, dass der oxidierbare Zu- satz im wässrigen Elektrolyten aus Methanol, Ethanol, Propanol oder einem anderen belie- bigen ein-, zwei- oder mehrwertigen Alkohol besteht.

6. Ein Verfahren nach Anspruch 1,2,3,4 dadurch gekennzeichnet, dass der oxidierbare Zu- satz im wässrigen Elektrolyten aus Glucose, Maltose, Saccharose oder einem anderen be- liebigen Zucker besteht.

7. Ein Verfahren nach Anspruch 1,2,3,4,5,6 dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Belastung galvanostatisch ausgeübt wird.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 1,2,3,4,5,6 dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Belastung potentiostatisch ausgeübt wird.

9. Ein Verfahren nach Anspruch 7,8 dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Belastung konstant, treppenförmig ansteigend, treppenförmig abnehmend, oder pulsförmig ausgeübt wird.

10. Ein Verfahren nach Anspruch 1,2,3 dadurch gekennzeichnet, dass der Indikator Chinin oder ein beliebiger pH-Wert abhängiger fluoreszierender Indikator ist.

11. Ein Verfahren nach Anspruch 1-10 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Elektrodenschicht während des Verfahrens gefilmt oder fotografiert wird. <Desc/Clms Page number 3> 12. Ein Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Bilddaten automati- siert mittels computerunterstützter Bildverarbeitung ausgewertet werden.