BRPI0401474B1 - Hybrid spray-hot pressing process for making PEM-type fuel cell electrode / membrane / electrode assemblies - Google Patents

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Linardi Marcelo
Roberto Baldo Willians
Marcelo Saliba Silva Adonis
Akio Ara Bueno Sergio
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Comissão Nacional De Energia Nuclear
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“PROCESSO HÍBRIDO SPRAY-PRENSACEM A QUENTE PARA A“SPRAY HYBRID PROCESS - HOT PRESS FOR

CONFECÇÃO DE CONJUNTOS ELETRODO/MEMBRANA/ELETRODO DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL DO TIPO PEM”. A presente invenção refere-se à tecnologia de fabricação de eletrodos para células a membrana polimérica trocadora de prótons, ou seja, a do tipo PEMFC (do inglês: Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Mais particularmente, a presente invenção caracteriza-se pelo uso conjunto da técnica de Spray para aplicação da camada catalítica sobre a membrana e da técnica de Prensagem a Quente para produzir o MEA completo (camada catalítica, camada difusora e membrana), sendo este processo híbrido capaz de realizar o controle otimizado (ajustado) das variáveis de processo de forma interdependente, além de compreender etapas de processo diferenciadas, tais como o uso de mesa a vácuo com ajuste de temperatura; a preparação especial da tinta precursora dos eletrodos; e a prensagem das camadas difusoras comerciais sobre camadas catalíticas extremamente delgadas, utilizando-se aquecimento (temperatura de prensagem) diferenciado para cada eletrodo. 0 referido processo visa a redução de custos de fabricação, mantendo o melhor desempenho possível do MEA final obtido. PEMFC são células de baixa temperatura de operação, que utilizam uma membrana polimérica (Nafion® da DuPont) como eletrólito (condutor iônico) [David Linden, Handbook of Batteries and Fuel Cells. McGraw-Hill Book Company, New York, 1984J. São as mais promissoras, como alternativa para motores a combustão, por serem robustas e de fácil acionamento e desligamento, além das vantagens inerentes como alta eficiência com baixa emissão de poluentes [H. Wendt, M. Gõtz, Brennstoffzellentechnik, Chemie in unserer Zeit, 6 (1997) 301-309.]. As células PEMFC também se aplicam a unidades estacionárias de geração de energia elétrica. O fator determinante para o seu sucesso comercial é o seu custo.MAKING ELECTRODE / MEMBRANE / PEM TYPE FUEL CELL SETS ". The present invention relates to the technology of manufacturing electrodes for proton exchange polymeric membrane, that is, PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type cell electrodes. More particularly, the present invention is characterized by the combined use of the Spray technique for applying the catalytic layer on the membrane and the Hot Press technique to produce the complete MEA (catalytic layer, diffuser layer and membrane), this process being a hybrid process. able to perform optimized (adjusted) control of process variables interdependently, as well as understand different process steps, such as using a vacuum table with temperature adjustment; special preparation of electrode precursor paint; and pressing the commercial diffuser layers onto extremely thin catalytic layers using different heating (pressing temperature) for each electrode. This process aims to reduce manufacturing costs while maintaining the best possible performance of the final MEA obtained. PEMFC are low operating temperature cells that use a polymeric membrane (DuPont Nafion®) as an electrolyte (ionic conductor) [David Linden, Handbook of Batteries and Fuel Cells. McGraw-Hill Book Company, New York, 1984J. They are the most promising, as an alternative to combustion engines, because they are robust and easy to start and stop, in addition to the inherent advantages such as high efficiency with low pollutant emissions [H. Wendt, M. Gotz, Brennstoffzellentechnik, Chemie in unserer Zeit, 6 (1997) 301-309.]. PEMFC cells also apply to stationary power generation units. The determining factor for your business success is its cost.

As células a combustível tipo PEMFC possuem dois eletrodos de difusão gasosa (condutores eletrônicos), separados por um eletrólito sólido (membrana condutora de prótons). O conjunto Eletrodo/Membrana/Eletrodo é chamado MEA (do inglês: Membrane Electrode Assembly). Eletrodos de difusão gasosa são uma estrutura porosa condutora de elétrons que engloba o eletrocatalisador. Ele é composto de duas camadas: a camada catalítica, onde se encontra disperso o eletrocatalisador e uma camada difusora. A construção da camada catalítica tem como função a maximização da interface trifásica gás-eletrólito- eletrocatalisador/condutor eletrônico, aumentando consideravelmente a velocidade dos processos eletródicos. Os eletrodos de difusão gasosa devem satisfazer no mínimo duas exigências importantes [H. Wendt, M. e Linardi, M. e E. Aricó, Células a Combustível de Baixa Potência para Aplicações Estacionárias, Química Nova, 25 (3) (2002) pp 470-476 e Wendt, H.; Gõtz, M. e Linardi, M.; Tecnologia de Células a Combustível, Química Nova, 23 (4) (2000), pp 538-546] a saber: devem possuir alta atividade catalítica, a fim de se obter altas densidades de corrente, e possuir uma estrutura porosa para difusão dos gases reagente, cuja superfície interna é contatada por um filme delgado do ionômero do eletrólito, de modo a aumentar a interface eletrodo/eletrólito. Os eletrodos de difusão gasosa são extremamente delgados para minimizar resistências ôhmicas. As partículas do eletrocatalisador estão numa faixa de distribuição de tamanho nanométrica, dispersas, geralmente, em partículas de carvão ativo de diâmetros entre 30 e 100 nm.PEMFC fuel cells have two gas diffusion electrodes (electronic conductors), separated by a solid electrolyte (proton conductive membrane). The Electrode / Membrane / Electrode assembly is called MEA (Membrane Electrode Assembly). Gaseous diffusion electrodes are a porous electron conductive structure that encompasses the electrocatalyst. It is composed of two layers: the catalytic layer, where the electrocatalyst is dispersed and a diffuser layer. The construction of the catalytic layer has the function of maximizing the three-phase gas-electrolyte-electrocatalyst / electronic conductor interface, considerably increasing the speed of electrode processes. Gas diffusion electrodes must meet at least two important requirements [H. Wendt, M. and Linardi, M. and E. Aricó, Low Power Fuel Cells for Stationary Applications, New Chemistry, 25 (3) (2002) pp 470-476 and Wendt, H .; Gotz, M. and Linardi, M .; Fuel Cell Technology, New Chemistry, 23 (4) (2000), pp 538-546] namely: they must have high catalytic activity in order to obtain high current densities, and have a porous structure for gas diffusion. reagent whose inner surface is contacted by a thin film of the electrolyte ionomer in order to increase the electrode / electrolyte interface. Gas diffusion electrodes are extremely thin to minimize ohmic resistances. The electrocatalyst particles are in a nanometer size distribution range, generally dispersed in active carbon particles of diameters between 30 and 100 nm.

Uma revisão criteriosa de patentes existentes mostra o desenvolvimento e o estado da arte da tecnologia de produção de diversos tipos de eletrodos, até o desenvolvimento dos eletrodos de difusão gasosa de hoje, otimizando a utilização do eletrocatalisador nas células PEM. Esta evolução é descrita resumidamente a seguir.A thorough review of existing patents shows the development and state of the art of the technology of producing various types of electrodes, up to the development of today's gas diffusion electrodes, optimizing the use of the electrocatalyst in PEM cells. These developments are briefly described below.

Na patente norte-americana n° 3.385.780 tem-se a descrição do desenvolvimento de um eletrodo poroso composto por uma fina camada formada por uma substância eletricamente condutora (carbono com platina fmamente dividida com teores de Pt da ordem de 0,1 a 1,2 mg/cm2) e polímero hidrofóbico (PTFE) prensado contra outra fina camada composta de polímero hidrofóbico (PTFE). O processo de produção do eletrodo poroso consiste inicialmente na obtenção de uma mistura formada por carbono dopado com Pt, PTFE e uma substância precursora de poros removível (oxalato de amônio, carbonato de amônio c polietileno ou polipropileno), sendo esta colocada em uma prensa. Uma segunda mistura formada por PTFH e material precursor de poros é colocado sobre a primeira mistura e então ambas são prensadas a uma pressão de 5000 e 12000 psi. O material precursor é posteriormente removido por aquecimento ou lixiviação ácida ou básica. O estudo de desempenho dos eletrodos é conduzido com densidades de corrente da ordem de até 160 mA/cm2, observando-se a polarização em relação ao valor teórico do eletrodo de O2. E a primeira patente a utilizar uma estrutura dual com uma camada hidrofóbica condutora eletricamente em conjunção com uma camada hidrofóbica dispersora de gases, precursores da camada catalítica e camada difusora dos eletrodos de difusão gasosa. Já na patente norte-americana n°: 4.469.579 utiliza-se a membrana denominada Nafion® como eletrólito sólido, um eletrodo poroso com catalisadores do grupo de metais da platina (óxidos e/ou metais e ligas), Sb, Sn, Ti, V ou uma mistura deles, sendo o eletrólito (membrana) prensado entre os dois eletrodos.U.S. Patent No. 3,385,780 discloses the development of a porous electrode composed of a thin layer formed of an electrically conductive substance (carbon with platinum finely divided with Pt contents of the order of 0.1 to 1). , 2 mg / cm2) and hydrophobic polymer (PTFE) pressed against another thin layer composed of hydrophobic polymer (PTFE). The production process of the porous electrode initially consists in obtaining a mixture formed by Pt-doped carbon, PTFE and a removable pore precursor substance (ammonium oxalate, ammonium carbonate and polyethylene or polypropylene), which is placed in a press. A second mixture formed of PTFH and pore precursor material is placed over the first mixture and then both are pressed at a pressure of 5000 and 12000 psi. The precursor material is subsequently removed by heating or acidic or basic leaching. The performance study of the electrodes is conducted with current densities of up to 160 mA / cm2, observing the polarization in relation to the theoretical value of the O2 electrode. It is the first patent to use a dual structure with an electrically conducting hydrophobic layer in conjunction with a gas dispersing hydrophobic layer, catalytic layer precursors and gas diffusion electrode diffuser layer. US Patent No. 4,469,579 uses a membrane called Nafion® as a solid electrolyte, a porous electrode with platinum metal group (oxides and / or metals and alloys), Sb, Sn, Ti catalysts. , V or a mixture thereof, the electrolyte (membrane) being pressed between the two electrodes.

Descreve-se a utilização deste sistema na indústria de cloro-soda. Esta patente tem o mérito de utilizar o conceito de MEA (Membrane Electrode Assembly).The use of this system in the chlorine soda industry is described. This patent has the merit of using the Membrane Electrode Assembly (MEA) concept.

Na patente norte-americana n° 4.536.272 descreve-se a produção de um eletrodo poroso composto por carbono fmamente dividido, catalisador (platina, paládio, irídio, ródio, prata, ouro ou uma mistura de dois ou mais destes elementos), ligante polimérico (PTFE) e partículas poliméricas hidrofóbicas (PTFE endurecido). A obtenção do P TFE endurecido parte do aquecimento de PTFE em pó, a uma temperatura de 600 a 650 K por volta de uma hora. A utilização do PTFE endurecido possibilitou um aumento da estabilidade do potencial do eletrodo de 1000 horas para 5000 horas, além de diminuir a sobretensão.U.S. Patent No. 4,536,272 discloses the production of a porous electrode composed of finely divided carbon, catalyst (platinum, palladium, iridium, rhodium, silver, gold or a mixture of two or more of these elements), binder. (PTFE) and hydrophobic polymer particles (hardened PTFE). Obtaining hardened P TFE starts from heating PTFE powder at a temperature of 600 to 650 K within one hour. The use of hardened PTFE increased the electrode potential stability from 1000 hours to 5000 hours and decreased overvoltage.

Raistrick apresenta na patente norte-americana n° 4.876.1 15 uma cclula a combustível com eletrólito de membrana polimérica sólida e eletrodo poroso de difusão gasosa formado por partículas de carbono como suporte com partículas dispersas de catalisador (platina) e duas camadas de material condutor de prótons. A carga de catalisador utilizada é entre 0,3 e 0,5 mgPt/cm2. A produção do eletrodo é feita aplicando-se uma camada de Nafion® sobre a camada de partículas de carbono com catalisador e sobre estas é depositado uma camada de solução de RuCh que, posteriormente é oxidada a R11O2. Esta patente tem 0 mérito de utilizar 0 conceito de MEA para aplicações com células a combustível. Esta invenção reduziu a concentração de Pt necessária no eletrodo (de 4,0 para 0,35 mg/cm2), em relação a células com eletrólito líquido, para um mesmo desempenho, devido à presença do ionômero da membrana Nafion® já na camada catalítica do eletrodo.Raistrick discloses in U.S. Patent No. 4,876,115 a fuel cell with solid polymeric membrane electrolyte and gaseous diffusion porous electrode formed by support with dispersed catalyst (platinum) particles and two layers of conductive material of protons. The catalyst loading used is between 0.3 and 0.5 mgPt / cm2. The production of the electrode is done by applying a Nafion® layer over the catalyst carbon particle layer and depositing a RuCh solution layer on them which is later oxidized to R11O2. This patent has the merit of using the MEA concept for fuel cell applications. This invention reduced the required Pt concentration on the electrode (from 4.0 to 0.35 mg / cm2) relative to cells with liquid electrolyte for the same performance due to the presence of the Nafion® membrane ionomer already in the catalytic layer. electrode

Na patente norte-americana n° 5.211.984 são apresentados dois métodos de formação de uma camada catalítica entre uma membrana eletrolítica sólida e um eletrodo poroso. A primeira forma de produção do filme fino (com espessura inferior a 10 pm e carga de catalisador menor que 0,35 mgPt/cm2) por spray e posterior cura. O filme é transferido para a membrana e então prensado a quente para formar a camada catalítica. A segunda forma, inovadora, de se produzir a camada catalítica é pela aplicação de uma tinta com o ionômero na forma Na4 diretamente na membrana, secando o filme a alta temperatura e então transformando o filme para a forma protanada. Na tinta utiliza-se de 10 a 12% de PVA, que através de sua natureza surfactante, promove uma adequada dispersão das partículas de catalisador na estrutura suporte de carbono, agindo também como ligante das moléculas de carbono e de Nafion®. A utilização de PVA possibilitou a formação de camadas resistentes. O problema da distribuição de poros e sua influência na retirada da água formada no catodo bem como a variação da estrutura do eletrodo quanto ao tamanho de poros e a possibilidade do eletrodo ficar encharcado de água obstruindo a entrada de O2, diminuindo a cinética da célula são abordados na patente norte-americana n° 5.316.871. A invenção propõe o controle da distribuição e tamanho de poros, com a utilização de cargas de catalisadores da ordem de 0,03 mgPt/cm2 para o anodo e 0,06 mgPt/cm2 para o catodo. A fabricação de eletrodo de difusão gasosa para utilização em células a combustível do tipo membrana condutora protônica, fabricado através de uma tinta com precursor de poros e uma porosidade total de 40 a 75 % é descrita na patente norte-americana n° 5.861.222. Os eletrocatalisadores são a base de Pt com cargas de 0,01 a 4 mgPt/cm2 e pelo menos mais um elemento do grupo cobalto, cromo, tungstênio, molibdênio, ferro, cobre, níquel e rutênio. O eletrodo possui espessura variável dc 5 a 100 nm, e porosidadc com distribuição bimodal.U.S. Patent No. 5,211,984 discloses two methods of forming a catalytic layer between a solid electrolyte membrane and a porous electrode. The first form of thin film production (less than 10 pm thick and catalyst loading less than 0.35 mgPt / cm2) by spraying and subsequent curing. The film is transferred to the membrane and then hot pressed to form the catalytic layer. The second innovative way to produce the catalytic layer is by applying a paint with the Na4 ionomer directly onto the membrane, drying the film at high temperature and then turning the film to the protanated form. 10 to 12% PVA is used in the paint, which through its surfactant nature promotes an adequate dispersion of the catalyst particles in the carbon support structure, acting also as a binder of the carbon and Nafion® molecules. The use of PVA allowed the formation of resistant layers. The pore distribution problem and its influence on the removal of water formed in the cathode as well as the variation of the electrode structure regarding the pore size and the possibility of the electrode becoming soaked with water obstructing O2 entry, decreasing the cell kinetics. U.S. Patent No. 5,316,871. The invention proposes the control of pore size and distribution using catalyst loads of the order of 0.03 mgPt / cm2 for the anode and 0.06 mgPt / cm2 for the cathode. The manufacture of gaseous diffusion electrode for use in protonic conductive membrane type fuel cells, manufactured using a pore precursor ink and a total porosity of 40 to 75% is described in U.S. Patent No. 5,861,222. The electrocatalysts are Pt based with charges from 0.01 to 4 mgPt / cm2 and at least one other element of the cobalt, chromium, tungsten, molybdenum, iron, copper, nickel and ruthenium group. The electrode has variable thickness from 5 to 100 nm, and porosity with bimodal distribution.

Atualmente, encontram-se na literatura vários métodos distintos de fabricação de eletrodos de difusão gasosa, com características próprias [US 629427; WOCurrently, there are several different methods of manufacturing gas diffusion electrodes with their own characteristics in the literature [US 629427; WO

01/71840; WO 01/78173; WO 01/80336; WO 01/65623; WO 01/48854; WO01/71840; WO 01/78173; WO 01/80336; WO 01/65623; WO 01/48854; WO

01/22514; WO 01/22510; WO 00/72391; WO 00/79628; WO 00/79630; US 6171721; US 6183668; US 6136463; WO 00/52775; WO 00/42670; WO 00/45448;01/22514; WO 01/22510; WO 00/72391; WO 00/79628; WO 00/79630; US 6171721; US 6183668; US 6136463; WO 00/52775; WO 00/42670; WO 00/45448;

WO 00/30201; US 6060187; WO 00/26975; WO 00/26982; US 6042959; US 6054230; WO 00/24074; WO 00/10174; US 6017650; WO 99/66575; US 5998057;WO 00/30201; US 6060187; WO 00/26975; WO 00/26982; US 6042959; US 6054230; WO 00/24074; WO 00/10174; US 6017650; WO 99/66575; US 5998057;

WO 99/60648; WO 99/57772; WO 99/57773; WO 99/56335; WO 99/39840; USWO 99/60648; WO 99/57772; WO 99/57773; WO 99/56335; WO 99/39840; US

5910378; US 5879828; US 5882810; WO 99/16137; US 5869416; US 5871860; US 5861222; US 5843519], As patentes estudadas citam diferentes técnicas e materiais para preparação de eletrodos de difusão gasosa, membrana polimérica e de MEA’s visando o aumento do desempenho, redução de custos, automação do processo de produção e tempo de vida útil dos componentes. Entretanto, nenhum dos processos citados utiliza as técnicas de spray e prensagem a quente concomitantemente, ou seja, um processo híbrido de fabricação do conjunto Eletrodo/Membrana/Eletrodo (MEA) para aplicações em células a combustível do tipo PEM, com controle otimizado das variáveis do processo, associado a etapas simplificadas e de baixo custo, congregando as vantagens das duas técnicas em uma só: a técnica de Spray para aplicação da camada catalítica sobre a membrana, e a técnica de Prensagem a Quente para o MEA completo. O referido processo singular visa à redução de custos na fabricação, obtendo-se um desempenho razoável do MEA, quantificado pela densidade de corrente elétrica fornecida pela operação da célula PEM a um potencial de 0,6 V da ordem de 800 mA.cm’2.5,910,378; US 5879828; US 5882810; WO 99/16137; US 5,869,416; US 5871860; US 5861222; US Patent Nos. 5843519], The patents studied cite different techniques and materials for preparing gaseous diffusion electrodes, polymeric membrane and MEAs for increased performance, cost reduction, production process automation and component life. However, none of the aforementioned processes use concurrent spray and hot pressing techniques, ie a hybrid Electrode / Membrane / Electrode (MEA) assembly process for PEM-type fuel cell applications, with optimized control of variables. associated with simplified and low cost steps, bringing together the advantages of both techniques into one: the spray technique for applying the catalytic layer on the membrane, and the hot pressing technique for the complete MEA. This unique process aims to reduce manufacturing costs, obtaining a reasonable performance of the MEA, quantified by the electrical current density supplied by the operation of the PEM cell at a potential of 0.6 V on the order of 800 mA.cm'2. .

Para desenvolvimento do processo de produção de MEA’s para células PEM pelo método Híbrido de Spray e Prensagem a Quente da presente invenção foram selecionados os seguintes critérios: a) etapas simples no processo de fabricação para redução de custos; b) produzir MEA’s com área de 25 cm2 até 400 cm2; c) utilizar simplesmente água ultrapura (ΙΟΜΩαη) como solvente para a produção da tinta precursora do eletrodo; d) utilizar como eletrólito qualquer membrana Nafion® (Du Pont), previamente tratada em água oxigenada (3 %), para remoção de contaminantes orgânicos, ácido sulfúrico (1,0 mol L'1, 1 hora a 80 °C) e água ultrapura (1 hora a 80 °C, 3 repetições), armazenar em água ultrapura; e) utilizar uma solução de Nafion dissolvido em água. í) utilizar uma mesa de vácuo apropriada, de construção simples, com aquecimento para produção dos eletrodos pelo método de spray; g) prensar camadas difusoras comerciais sobre as camadas catalíticas aplicadas na membrana com uma prensa hidráulica com aquecimento diferencial para cada eletrodo; h) produzir camadas catalíticas extremamente delgadas para minimizar perdas ôhmicas.To develop the PEM cell MEA production process by the Hybrid Spray and Hot Press method of the present invention, the following criteria were selected: a) simple steps in the manufacturing process for cost reduction; b) producing MEAs with an area of 25 cm2 to 400 cm2; c) simply using ultrapure water (ΙΟΜΩαη) as a solvent for producing the electrode precursor paint; d) use as electrolyte any Nafion® (Du Pont) membrane previously treated in hydrogen peroxide (3%) to remove organic contaminants, sulfuric acid (1.0 mol L'1, 1 hour at 80 ° C) and water ultrapure (1 hour at 80 ° C, 3 repetitions), store in ultrapure water; e) use a solution of Nafion dissolved in water. (i) use a suitable vacuum table of simple construction with heating to produce the electrodes by the spray method; g) pressing commercial diffuser layers onto the catalytic layers applied to the membrane with a differential heating hydraulic press for each electrode; h) produce extremely thin catalytic layers to minimize ohmic losses.

Diferentemente do estado da técnica, a produção da tinta precursora dos eletrodos, a ser utilizada pelo método Spray sobre a membrana Nafion tem sua composição caracterizada por água ultrapura como solvente (de 2,0 a 6,0 mL); negro de fumo de alta área superficial (inglês: Carbon Black), contendo o eletrocatalisador nanodisperso (0,1 a 0,4 g com 10 a 60 % de eletrocatalisador) e solução de Nafion em água (0,5 a 2,0 mL de solução de Nafion em água a 5 ou 10 % em massa). Por exemplo, uma composição típica da tinta é: 4,0 mL de água ultrapura; 0,2 g de negro de fumo (Carbon Black) com 20 % em massa de Pt; 1,0 mL de solução de Nafion em água a 10 % em massa.Unlike the state of the art, the production of the electrode precursor paint to be used by the Nafion membrane spray method has a composition characterized by ultrapure water as a solvent (2.0 to 6.0 mL); high surface area carbon black (Carbon Black) containing the nanodispersed electrocatalyst (0.1 to 0.4 g with 10 to 60% electrocatalyst) and Nafion solution in water (0.5 to 2.0 mL Nafion solution in water at 5 or 10% by mass). For example, a typical ink composition is: 4.0 mL of ultrapure water; 0.2 g Carbon Black with 20% Pt; 1.0 mL of 10% by weight Nafion solution in water.

Também é característica da preparação da tinta o tratamento desta suspensão (a tinta) em um ultrassom por ponta, chamado de Desruptor de Células Ultra-Sônico, diferentemente dos banhos de ultrassom, para a ruptura dos aglomerados de negro de fumo mais eficientemente, pois toda a energia do equipamento é concentrada num pequeno volume (a ponta). O tempo do tratamento pode variar de 10 a 60 segundos, sendo 30 segundos o tempo recomendado. Depois de produzida a suspensão, esta deve permanecer em agitação magnética por um período mínimo de 12 horas. A produção da camada catalítica, método Spray, é caracterizada pelo seguinte procedimento: 1) montar a membrana Nafion, previamente tratada e cortada, em uma moldura metálica, utilizando juntas de teflon, para garantir uma superfície lisa; 2) colocar a moldura contendo a membrana sobre uma mesa de vácuo, que consiste numa superfície perfurada lidada a uma bomba de vácuo, para garantir que a membrana permaneça lisa. O vácuo não deve ser muito alto para não danificar a membrana. Este procedimento c importante para a fixação da tinta (após aplicação etapa 5) na membrana de maneira homogênea, evitando craqueamento da camada na operação da célula, caso haja rugosidades. A membrana perfeitamente lisa aumenta a longevidade do eletrodo consideravelmente; 3) ajustar a temperatura da mesa de vácuo; 4) ajustar a pressão de um compressor de ar com filtros para óleo, ou de um compressor de ar seco; 5) aplicar verticalmente o spray da tinta com um aerógrafo comercial para fabricação do Io eletrodo, a uma devida altura da membrana; 6) retirar a moldura metálica com a membrana da mesa de vácuo e colocar na estufa a 100 °C, permanecendo por um período determinado de secagem; 7) aplicar o outro eletrodo do lado oposto segundo o procedimento descrito em (5); 8) repetir o procedimento descrito em (6). A produção do MEA pela técnica de Prensagem a Quente é caracterizada pelo seguinte procedimento: 9) cortar dois pedaços de material poroso condutor eletrônico e parcialmente hidrofóbico, chamada camada difusora, (por exemplo Papel Toray® ou tecido de carbono teílonado), nas dimensões dos eletrodos para serem utilizados como camadas difusoras; 10) colocar o conjunto membrana com eletrodos e camada difusora entre duas camadas de filme de teflon®; 11) colocar o conjunto anterior entre as duas placas metálicas da prensa hidráulica, previamente aquecida nas temperaturas desejadas, que não necessariamente são iguais para o anodo e catodo. Esse controle do parâmetro temperatura da prensagem pode gerar como resultado porosidades diferentes em cada eletrodo, com consequente redução de resistência à transferência de massa, especialmente no catodo, onde os poros devem ser maiores que no anodo, pois há no primeiro a formação de água, que deve escoar em parte para fora da célula; 12) aplicar ao conjunto a pressão desejada num tempo desejado; 13) retirar o conjunto ainda quente da prensa e realizar uma têmpera a 135 °C por 30 minutos e esfriar no ambiente. A técnica de Prensagem a Quente permite a obtenção de camadas catalíticas extremamente delgadas que são cruciais para minimizarem perdas/resistências hômicas, proporcionais às espessuras do eletrodo. Após o resfriamento, o MEA estará pronto para ser utilizado na célula a combustível, como mostrado na Fig. 1, onde se tem um esquema do conjunto eletrodo (a), membrana (b) e eletrodo (a). As camadas difusoras (c) são prensadas posteriormente etapas 10 e 11. O processo de fabricação de MEA descrito por esta invenção abdica do uso de aditivos à tinta precursora dos eletrodos, simplificando o processo. A escolha da solução de Nafion dissolvida em água diz respeito ao mesmo motivo e é característica desta invenção. A presente invenção faz uso do processo conjunto de Spray e Prensagem a Quente, utilizando-se uma tinta com água como solvente. A presente invenção possibilita temperaturas diferenciadas de prensagem para o anodo e o catodo. No processo, somente etapas simples e de fácil manuseio estão envolvidas.Also characteristic of the preparation of the ink is the treatment of this suspension (the ink) in a tip ultrasound, called the Ultrasonic Cell Disruptor, unlike ultrasonic baths, to break up the carbon black agglomerates more efficiently, since all The energy of the equipment is concentrated in a small volume (the tip). Treatment time may vary from 10 to 60 seconds, with 30 seconds being the recommended time. After the suspension has been produced, it should be kept under magnetic stirring for a minimum of 12 hours. The production of the catalytic layer, Spray method, is characterized by the following procedure: 1) mounting the previously treated and cut Nafion membrane in a metal frame using Teflon joints to ensure a smooth surface; 2) placing the membrane-containing frame on a vacuum table consisting of a perforated surface treated with a vacuum pump to ensure that the membrane remains smooth. The vacuum should not be too high to damage the membrane. This procedure is important for the fixation of the paint (after application step 5) on the membrane in a homogeneous way, avoiding cracking of the layer in the cell operation, if there are roughness. The perfectly smooth membrane increases electrode longevity considerably; 3) adjust the temperature of the vacuum table; 4) adjusting the pressure of an oil filter air compressor or a dry air compressor; 5) vertically spraying the paint with a commercial airbrush for the manufacture of the first electrode at a suitable membrane height; 6) remove the metal frame with the membrane from the vacuum table and place in the oven at 100 ° C, remaining for a specified period of drying; 7) apply the other electrode on the opposite side according to the procedure described in (5); 8) repeat the procedure described in (6). The production of the MEA by the Hot Press technique is characterized by the following procedure: 9) cutting two pieces of electrophobic and partially hydrophobic porous conductive material, called diffuser layer, (eg Toray® Paper or Tissue Carbon Tissue), in the dimensions of the electrodes for use as diffuser layers; 10) place the membrane assembly with electrodes and diffuser layer between two layers of teflon® film; 11) placing the anterior assembly between the two metal plates of the hydraulic press, preheated to the desired temperatures, which are not necessarily equal for the anode and cathode. This control of the pressing temperature parameter can result in different porosities in each electrode, with consequent reduction of the mass transfer resistance, especially in the cathode, where the pores must be larger than in the anode, since in the first one the water formation occurs. that should partially flow out of the cell; 12) applying the desired pressure to the assembly at a desired time; 13) Remove the still hot assembly from the press and quench at 135 ° C for 30 minutes and cool in the room. The Hot Press technique allows extremely thin catalytic layers to be obtained which are crucial for minimizing the loss / resistance of the heat, proportional to the electrode thickness. After cooling, the MEA is ready for use in the fuel cell, as shown in Fig. 1, where there is a schematic of the electrode (a), membrane (b), and electrode (a) assembly. The diffuser layers (c) are further pressed in steps 10 and 11. The MEA manufacturing process described by this invention abdicates the use of electrode precursor paint additives, simplifying the process. The choice of Nafion solution dissolved in water concerns the same reason and is characteristic of this invention. The present invention makes use of the combined Spray and Hot Press process using a paint with water as a solvent. The present invention enables different press temperatures for the anode and cathode. In the process, only simple and easy to handle steps are involved.

Finalmente, o controle do processo de fabricação dos MEA’s descrito, objeto da presente invenção, é otimizado através de sete principais variáveis selecionadas e interdependentes de processo, mostradas na Fig. 2, com valores máximos, mínimos e o ponto central. O resultado final é um melhor desempenho do MEA obtido na célula a combustível tipo PEM. A seguir ilustra-se a aplicação da presente invenção com um exemplo para operação com hidrogênio/oxigênio. Os valores dos parâmetros utilizados na fabricação do MEA foram: pressão do ar de spray de 2,0 bar; distância do spray de 8 cm; temperatura da mesa de spray de 100°C; tempo de secagem do eletrodo de 60 min; pressão de prensagem de 7 ton; temperatura de prensagem de 127 °C e tempo de prensagem de 2 min; camada difusora de tecido de carbono EC-CC1-060T da Electrochem, EUA. As cargas de catalisador foram: 0,44 mg cm'2 para o anodo e 0,61 mg cm'2 para o catodo.Finally, the control of the described MEA manufacturing process, object of the present invention, is optimized by seven main selected and interdependent process variables, shown in Fig. 2, with maximum, minimum values and the center point. The end result is better MEA performance from the PEM fuel cell. The following illustrates the application of the present invention with an example for hydrogen / oxygen operation. The parameter values used in the manufacture of the MEA were: 2.0 bar spray air pressure; spray distance 8 cm; spray table temperature of 100 ° C; 60 min electrode drying time; 7 ton pressing pressure; pressing temperature 127 ° C and pressing time 2 min; EC-CC1-060T carbon fabric diffuser layer from Electrochem, USA. Catalyst loads were: 0.44 mg cm-2 for the anode and 0.61 mg cm-2 for the cathode.

Os parâmetros de operação da célula a combustível unitária utilizada para a obtenção da curva de polarização foram: vazão de hidrogênio de 300 mE/min; Vazão de oxigênio de 150mL/min; temperatura de umidificação do EE de 80 °C; temperatura da célula de 65 °C. Utilizou-se o bloco de célula unitária do tipo PEM da empresa Electrochem, EUA de 25 cm2 de área eletródica. Uma curva de polarização foi obtida após um período de 15 horas de operação contínua do MEA nas condições indicadas. Utilizou-se uma carga dinâmica (TDI - Modelo RBL488) acoplado a um PC4 Potenciostato/Galvanostato/ZRA com software EIS300 da Gamry Instruments. A curva obtida é mostrada na Fig. 3.The operating parameters of the unit fuel cell used to obtain the polarization curve were: 300 mE / min hydrogen flow; 150mL / min oxygen flow; EE humidification temperature of 80 ° C; cell temperature of 65 ° C. Electrochem, USA PEM unit cell block of 25 cm2 electrode area was used. A polarization curve was obtained after a period of 15 hours of continuous MEA operation under the indicated conditions. A dynamic load (TDI - Model RBL488) coupled to a PC4 Potentiostat / Galvanostat / ZRA with Gamry Instruments EIS300 software was used. The curve obtained is shown in Fig. 3.

Claims (6)

1 - Processo híbrido Spray-Prensagem a Quente para a confecção de conjuntos Eletrodo/Membrana/Eletrodo (MEA) de células a combustível do tipo PEM, caracterizado por controlar o ajuste das seguintes variáveis de processo de forma interdependente: pressão do ar de spray, distância do spray, temperatura da mesa de spray, tempo de secagem do eletrodo, pressão de prensagem, temperatura de prensagem e tempo de prensagem; e por compreender as seguintes etapas: (a) uso de mesa a vácuo com ajuste de temperatura; (b) preparação de tinta precursora dos eletrodos e tratamento da suspensão obtida em ultrassom por ponta para posterior aplicação da camada catalítica, na forma da referida tinta, sobre a membrana; (c) prensagem das camadas difusoras comerciais sobre as camadas catalíticas aplicadas na membrana utilizando-se aquecimento (temperatura de prensagem) diferenciado para cada eletrodo.1 - Hybrid Spray-Hot Press process for making PEM-type Fuel Cell Electrode / Membrane / Electrode (MEA) assemblies, characterized by controlling the adjustment of the following process variables interdependently: spray air pressure, spray distance, spray table temperature, electrode drying time, pressing pressure, pressing temperature and pressing time; and comprising the following steps: (a) using a temperature-adjusted vacuum table; (b) preparing the electrode precursor ink and treating the tip ultrasound suspension for subsequent application of the catalytic layer, in the form of said ink, onto the membrane; (c) pressing the commercial diffuser layers onto the membrane-applied catalytic layers using different heating (pressing temperature) for each electrode. 2 - Processo híbrido Spray-Prensagem a Quente, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo uso do vácuo com ajuste de temperatura permitir a obtenção da membrana lisa, o aumento da longevidade do eletrodo e a fixação homogênea da tinta precursora dos eletrodos quando da sua posterior aplicação pela técnica spray.Hybrid Spray-Hot-pressing process according to claim 1, characterized in that the use of temperature-adjusted vacuum permits obtaining the smooth membrane, increasing the electrode longevity and homogeneously fixing the electrode precursor paint when its subsequent application by spray technique. 3 - Processo híbrido Spray-Prensagem a Quente, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela preparação da tinta precursora dos eletrodos compreender água ultrapura como solvente, de 2 mL a 6 mL, negro de fumo de alta área superficial contendo o eletrocatalisador nanodisperso, de 0,1 a 0,4 g com 10 a 60% de eletrocatalisador, e solução aquosa da membrana eletrolítica Nafion previamente tratada, sendo 0,5 mL a 2 mL de solução de Nafion em água a 5 ou 10% em massa.Hybrid Spray-Hot Press process according to claim 1, characterized in that the preparation of the electrode precursor ink comprises ultrapure water as a solvent, from 2 mL to 6 mL, high surface area carbon black containing the nanodisperse electrocatalyst; 0.1 to 0.4 g with 10 to 60% electrocatalyst, and aqueous solution of the previously treated Nafion electrolyte membrane, with 0.5 mL to 2 mL of Nafion solution in 5 or 10% water by mass. 4 - Processo híbrido Spray-Prensagem a Quente, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo tratamento da suspensão da tinta precursora dos eletrodos em ultrassom por ponta permitir a ruptura eficiente dos aglomerados de negro de fumo, variando o tempo de tratamento de 10 a 60 segundos.Hybrid Spray-Hot-pressing process according to claim 1, characterized in that the suspension treatment of the tip ultrasound electrode precursor paint permits efficient rupture of the carbon black agglomerates, varying the treatment time from 10 to 60 seconds. 5 - Processo híbrido Spray-Prensagem a Quente, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela prensagem a quente permitir obter cada eletrodo com porosidade diferente e produzir camadas catalíticas extremamente delgadas para minimizar perdas ôhmicas.Hybrid Spray-Hot-Pressing Process according to Claim 1, characterized in that the hot-pressing process allows each electrode to be obtained with different porosity and produces extremely thin catalytic layers to minimize ohmic losses. 6 — Processo híbrido Spray-Prensagem a Quente, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela obtenção do MEA com resistências de interface diminuídas, desempenho aumentado e área de 25 cm a 400 cm“.Hybrid Spray-Hot-pressing process according to claim 1, characterized by obtaining MEA with decreased interface resistances, increased performance and an area of 25 cm to 400 cm.
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