DE10124272A1 - Continuous production of polymer electrolyte membrane-electrode array for fuel cell involves coating or impregnating and drying substrate, producing and drying polymer electrolyte membrane in parallel stage and lamination - Google Patents
Continuous production of polymer electrolyte membrane-electrode array for fuel cell involves coating or impregnating and drying substrate, producing and drying polymer electrolyte membrane in parallel stage and laminationInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur konti nuierlichen Herstellung einer Polymerelektrolytmembran-Elektro denanordnung für eine Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a method for continuous Nuclear production of a polymer electrolyte membrane electro denanordnung for a fuel cell according to the preamble of Claim 1.
Aus der älteren, nicht vorveröffentlichten Schrift DE 199 62 941 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Polymerelektrolyt membran-Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle bekannt, bei der auf ein Substrat eine freitragende ionenleitende Mem bran aufgelegt und so ein Elektroden-Membran-Verbundkörper ge bildet wird, wobei als freitragende Membran ein ionenleitendes Polymer verwendet wird, in die ein aus einem Metallalkoxid- Ausgangsstoff hydrolysiertes und/oder kondensiertes metallhal tiges Gel eingelagert und/oder mit dem Polymer chemisch verbun den ist.From the older, not previously published document DE 199 62 941 is a method of making a polymer electrolyte membrane electrode assembly for a fuel cell known, in which a self-supporting ion-conducting membrane on a substrate applied to a branch and thus an electrode-membrane composite body is formed, with an ion-conducting as a self-supporting membrane Polymer is used, in which a metal alkoxide Starting material hydrolyzed and / or condensed metal hal gel and / or chemically bonded to the polymer that is.
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines kontinuierlichen Verfahrens zur Herstellung einer Polymerelektrolytmembran- Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle, bei der die ge schlossene Prozesskette die Prozeßsicherheit und somit auch die Qualität der Membran-Elektrodenanordnungen (MEA) deutlich verbessert.The object of the invention is to provide a continuous Process for producing a polymer electrolyte membrane Electrode arrangement for a fuel cell, in which the ge closed process chain the process security and thus also the quality of the membrane electrode assemblies (MEA) clearly improved.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.This problem is solved by a method with the features of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche und der Beschreibung. Advantageous embodiments of the method according to the invention are the subject of the subclaims and the description.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen wei ter beschrieben. In dieser zeigt in schematischer WeiseThe invention will now become apparent from the accompanying drawings ter described. This shows in a schematic way
Fig. 1 beispielhaft einen kontinuierlichen Herstellprozeß einer Polymerelektrolytmembran-Elektrodenanordnung Fig. 1 shows an example of a continuous manufacturing process of a polymer electrolyte membrane electrode assembly
Fig. 2 beispielhaft eine Abscheidungseinrichtung zur elektro chemischen Abscheidung eines Katalysators Fig. 2 shows an example of a deposition device for electro-chemical deposition of a catalyst
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Polymer
elektrolytmembran-Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle
umfasst folgende Verfahrensschritte:
The method according to the invention for producing a polymer electrolyte membrane electrode arrangement for a fuel cell comprises the following method steps:
- a) Beschichten und/oder Imprägnieren eines kohlenstoffhaltigen Substrates mit anschließender Trocknung,a) coating and / or impregnating a carbon-containing Substrate with subsequent drying,
- b) Herstellung einer Polymerelektrolytmembran durch Beschich tung eines Trägerfilms mit einer PEM-haltigen Lösung oder Paste oder Suspension mit nachfolgender Trocknung oder Ver wendung einer fertigen Polymerelektrolytmembran,b) Production of a polymer electrolyte membrane by coating treatment of a carrier film with a PEM-containing solution or Paste or suspension with subsequent drying or Ver application of a finished polymer electrolyte membrane,
- c) Zusammenführung der aus den Schritten a) und b) erhaltenen Schichten,c) merging those obtained from steps a) and b) Layers,
- d) und bei Verwendung eines Trägerfilms in Schritt b) anschlie ßendes Abziehen dieses Films,d) and then when using a carrier film in step b) pulling off this film,
wobei die Schritte a) und b) parallel und gleichzeitig ausge führt und die daraus resultierenden Schichten kontinuierlich im dritten Schritt c) weiterverarbeitet werden.with steps a) and b) parallel and simultaneous leads and the resulting layers continuously are processed further in the third step c).
Als Substratmaterial für die Herstellung einer Polymerelektro lytmembran-Elektrodenanordnung wird bevorzugt ein flexibles, poröses, kohlenstoffhaltiges Substrat 1 verwendet. Dies kann ein kohlenstoffhaltiges Gewebe, Papier, Filz oder Vlies sein. Das Substrat wird mit mindestens einem hydrophoben Polymer im Bereich von 0 bis 50 Gewichtsprozent in an sich bekannter Weise beschichtet oder imprägniert. Ferner kann das Substratmaterial mit mindestens einer Pufferschicht 2 zur Steuerung des Gas- und Wassermanagements versehen sein. Bei Vorhandensein mindestens einer solchen Pufferschicht ist das Substrat bevorzugt nicht hydrophobiert. Die mindestens eine Pufferschicht enthält Koh lenstoff und/oder kohlenstoffhaltiges Material und mindestens ein hydrophobes Polymer. Als hydrophobes Polymer wird bevorzugt Teflon eingesetzt. Der Teflongehalt liegt im Bereich zwischen 0 und 60 Gewichtsprozent, bevorzugt zwischen 5 und 40 Gewichts-%, besonders bevorzugt zwischen 10 und 30 Gewichts-%. In einer bevorzugten Ausführungsform ist auf der mindestens einen Puf ferschicht mindestens eine weitere Pufferschicht enthalten. Die mindestens eine weitere Pufferschicht enthält mindestens ein hydrophobes Polymer und/oder Kohlenstoff und/oder kohlen stoffhaltiges Material.A flexible, porous, carbon-containing substrate 1 is preferably used as the substrate material for the production of a polymer electrolyte membrane electrode arrangement. This can be a carbon-containing fabric, paper, felt or non-woven. The substrate is coated or impregnated with at least one hydrophobic polymer in the range from 0 to 50 percent by weight in a manner known per se. Furthermore, the substrate material can be provided with at least one buffer layer 2 for controlling the gas and water management. If at least one such buffer layer is present, the substrate is preferably not hydrophobic. The at least one buffer layer contains carbon and / or carbon-containing material and at least one hydrophobic polymer. Teflon is preferably used as the hydrophobic polymer. The teflon content is in the range between 0 and 60% by weight, preferably between 5 and 40% by weight, particularly preferably between 10 and 30% by weight. In a preferred embodiment, at least one further buffer layer is contained on the at least one buffer layer. The at least one further buffer layer contains at least one hydrophobic polymer and / or carbon and / or carbon-containing material.
Der Teflongehalt der mindestens einen weiteren Pufferschicht ist im Bereich zwischen 0 und 40 Gewichts-% angesiedelt, be vorzugt zwischen 0,1 und 10 Gewichts-%, besonders bevorzugt enthält die der Katalysatorschicht benachbarte letzte Puffer schicht kein hydrophobes Polymer. Diese Pufferschichten können im Verfahrensschritt a) über eine Dosiereinheit mittels Sieb druck, durch Gießen, Aufstreichen, Aufsprühen, Aufspritzen, Aufrakeln oder dergleichen in kontinuierlicher Art und Weise auf das Substrat aufgebracht werden. Dem Beschichtungsvorgang nachgeordnet folgen ein oder mehrere Trocknungsschritte 3 und/oder Temperaturbehandlungsschritte. Der Trocknungsvorgang wird bei Temperaturen um etwa 80 bis 250°C, bevorzugt bei Tem peraturen um etwa 100 bis 200°C, der Temperaturbehandlungs schritt bei Temperaturen zwischen etwa 300°C und 450°C, vor zugsweise bei Temperaturen zwischen etwa 370°C und 420°C, durchgeführt. Im Anschluß daran kann im online-Verfahren eine Messung der Oberflächenrauheit, der Dicke und des Flächenge wichts am Substratmaterial zur Sicherstellung einer gleichblei benden Qualität erfolgen. In einer anderen Ausführungsform wird die mindestens eine Pufferschicht 2 bzw. die mindestens eine weitere Pufferschicht mit mindestens einer Katalysator- oder katalysatorhaltigen Schicht versehen. Diese Schicht(en) wird bzw. werden ebenfalls über eine Dosiereinheit mittels Sieb druck, durch Gießen, Aufstreichen, Aufsprühen, Aufspritzen, Aufrakeln oder dergleichen in kontinuierlicher Art und Weise auf die Pufferschicht(en) aufgebracht und nachfolgend bei Tem peraturen um etwa 80°C bis 450°C getrocknet. Ferner besteht noch die Möglichkeit auf die mindestens eine Katalysator- oder katalysatorhaltigen Schicht noch eine Polymerelektrolyt membranhaltige Lösung zur Ausbildung einer Membran ebenso über eine Dosiereinheit mittels Siebdruck, durch Gießen, Aufstrei chen, Aufsprühen, Aufspritzen, Aufrakeln oder dergleichen in kontinuierlicher Art und Weise aufzubringen und nachfolgend bei Temperaturen um etwa 60°C bis 170°C, bevorzugt bei Temperaturen um etwa 60°C bis 170°C, zu trocknen.The teflon content of the at least one further buffer layer is in the range between 0 and 40% by weight, preferably between 0.1 and 10% by weight, particularly preferably the last buffer layer adjacent to the catalyst layer contains no hydrophobic polymer. These buffer layers can be applied in a continuous manner to the substrate in process step a) via a metering unit by means of screen printing, by pouring, brushing on, spraying on, spraying on, knife coating or the like. One or more drying steps 3 and / or temperature treatment steps follow the coating process. The drying process is at temperatures around 80 to 250 ° C, preferably at temperatures around 100 to 200 ° C, the temperature treatment step at temperatures between about 300 ° C and 450 ° C, preferably at temperatures between about 370 ° C and 420 ° C. Subsequently, a measurement of the surface roughness, the thickness and the area weight on the substrate material can be carried out in the online method to ensure a constant quality. In another embodiment, the at least one buffer layer 2 or the at least one further buffer layer is provided with at least one catalyst- or catalyst-containing layer. This layer (s) is or are also applied via a metering unit by means of screen printing, by pouring, brushing, spraying, spraying, knife coating or the like in a continuous manner onto the buffer layer (s) and subsequently at temperatures of about 80 ° C to 450 ° C dried. Furthermore, there is also the possibility of applying a polymer electrolyte membrane-containing solution to the at least one catalyst- or catalyst-containing layer to form a membrane as well via a metering unit by means of screen printing, by casting, spreading, spraying, spraying, knife coating or the like in a continuous manner and subsequently drying at temperatures around 60 ° C to 170 ° C, preferably at temperatures around 60 ° C to 170 ° C.
Im Verfahrensschritt b) erfolgt die Herstellung einer Polymer elektrolytmembran 5 durch Beschichtung eines Trägerfilms 4. Als Trägerfilme werden beispielsweise Polyethylen- oder poly ethylenhaltige, Teflon- oder teflonhaltige Folien, Polyester- oder polyesterhaltige Folien verwendet, die eine sehr homogene Oberfläche mit definierter Oberflächenrauheit zwecks Haftung zwischen Trägerfolie und Membran, eine ausreichende Temperatur beständigkeit für Temperaturen größer 120°C und eine gleichmä ßige Schichtdicke aufweisen. Dennoch darf sich kein unlösbarer Verbund zwischen Trägerfolie und Membran ergeben, da die Folie in einem weiteren Verfahrensschritt wieder abgezogen werden muß. Vor dem Auftrag der Membran wird der Trägerfilm 4 auf eine Temperatur in einem Bereich von etwa 20 bis 90°C aufgeheizt. Die Polymerelektrolytmembran 5 wird anschließend durch Gießen, Rakeln, Spritzen, mittels Siebdruck oder mittels Breitschlitz- oder Flachschlitzdüse mit Schmelzepumpe auf den Trägerfilm auf gebracht. Bei Verwendung eines sulfonsäuregruppenhaltigen Poly mers erfolgt im Bereich von etwa 110°C bis 150°C, bevorzugt bei ca. 120°C, eine Phasenmodifikation, d. h. eine Überführung des Polymers in eine leitende Form: die Sulfonsäuregruppen klappen in Vorzugsebene und fungieren später als Protonenkanäle.In method step b), a polymer electrolyte membrane 5 is produced by coating a carrier film 4 . The carrier films used are, for example, polyethylene or polyethylene-containing, teflon or teflon-containing films, polyester or polyester-containing films which have a very homogeneous surface with defined surface roughness for the purpose of adhesion between the carrier film and membrane, a sufficient temperature resistance for temperatures above 120 ° C. have uniform layer thickness. Nevertheless, there cannot be an inseparable bond between the carrier film and the membrane, since the film must be removed again in a further process step. Before the membrane is applied, the carrier film 4 is heated to a temperature in a range from approximately 20 to 90 ° C. The polymer electrolyte membrane 5 is then applied to the carrier film by casting, knife coating, spraying, by means of screen printing or by means of a slot or flat slot nozzle with a melt pump. When using a polymer containing sulfonic acid groups, a phase modification takes place in the range from approximately 110 ° C. to 150 ° C., preferably at approximately 120 ° C., ie the polymer is converted into a conductive form: the sulfonic acid groups fold in the preferred plane and later act as proton channels ,
Nach der Herstellung der Polymerelektrolytmembran durchläuft die Membran je nach Verfahren ein bis 3 Trocknungszonen 6-8, wobei der erste Trocknungsvorgang bei einer material- und ver fahrensabhängigen niedrigen Temperatur stattfindet und die Trocknung mit der Umgebungsluft vorzugsweise im Gegenstrom durchgeführt wird, vorzugsweise bei Raumtemperatur, der zweite Trocknungsvorgang bei einer material- und verfahrensabhängigen mittleren Temperatur und der dritte Trocknungsvorgang bei einer ebenfalls material- und verfahrensabhängigen höheren Temperatur stattfindet, wobei die Trocknung bei der mittleren und/oder höheren Temperatur vorzugsweise unter Einbeziehung von IR- Strahlern zur Ausbildung der Materialeigenschaften der Membran vorgenommen wird.After the production of the polymer electrolyte membrane, the membrane passes through one to three drying zones 6-8 , depending on the method, the first drying process taking place at a material and process-dependent low temperature and the drying being carried out with the ambient air, preferably in countercurrent, preferably at room temperature, which the second drying process takes place at a material and process-dependent mean temperature and the third drying process takes place at a likewise material and process-dependent higher temperature, the drying at the medium and / or higher temperature preferably being carried out with the inclusion of IR radiators to form the material properties of the membrane becomes.
Es kann selbstverständlich auch eine in einem oder mehreren vorgeschalteten Verfahrensschritt(en) hergestellte fertige Membran 12 verwendet werden, darunter zu verstehen ist bei spielsweise auch eine Membran mit mindestens einer darüberbe findlichen Pufferschicht, eine Membran mit mindestens einer katalysatorhaltigen Schicht oder eine Membran mit mindestens einer katalysatorhaltigen Schicht mit mindestens einer darüber befindlichen Pufferschicht.Of course, a finished membrane 12 produced in one or more upstream process step (s) can also be used, which also includes, for example, a membrane with at least one buffer layer located above it, a membrane with at least one catalyst-containing layer or a membrane with at least one catalyst-containing layer with at least one buffer layer located above.
Im Falle einer Membran, die nach dem Sol-Gel-Verfahren herge stellt wird, werden die Ausgangsstoffe, die sich in separaten Vorbehältern befinden, gemeinsam in die Dosiereinheit einge führt und bei Raumtemperatur kurz miteinander vermischt, bevor die Mischung, die in einen Rakel-/Walzentrog überführt auf eine Temperatur von ca. 20 bis 60°C temperiert wird, auf einen vor geheizten Trägerfilm aufgebracht wird. Als Ausgangsstoffe kann polymerbildendes Kohlenwasserstoffmaterial, z. B. den unter dem Markennamen Nation erhältlichen fluorierten Kohlenwasserstoff, und mindestens ein Metallalkoxid, beispielsweise Tetraethoxysi lan, genommen werden. Die Verfahrensschritte und die Ausbildung der daraus resultierenden Sol-Gel-Membran entspricht weitgehend der älteren, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung PCT/EP 00/08465, wobei die Schritte gemäß der Erfindung kontinuierlich durchgeführt werden. Die Trocknungszeiten liegen bei etwa 10 bis 15 Minuten, der Trocknungskanal weist eine Temperatur zwi schen 110 bis 150°C auf.In the case of a membrane manufactured using the sol-gel method is the raw materials, which are in separate Reservoirs are located together in the dosing unit leads and mixed briefly at room temperature before the mixture, which is transferred to a doctor / roller trough on a Temperature of about 20 to 60 ° C is tempered to a before heated carrier film is applied. As starting materials can polymer-forming hydrocarbon material, e.g. B. the under the Brand name nation available fluorinated hydrocarbon, and at least one metal alkoxide, for example tetraethoxysi lan, be taken. The procedural steps and the training the resulting sol-gel membrane largely corresponds the older, unpublished patent application PCT / EP 00/08465, the steps according to the invention being continuous be performed. The drying times are around 10 to 15 minutes, the drying channel has a temperature between between 110 and 150 ° C.
Im Falle einer Membran, die nach dem Phaseninversions-Verfahren hergestellt wird, werden die Ausgangsstoffe zur Herstellung einer Gießmasse, die außer dem Polymer noch weitere Stoffe ent halten können wie z. B. Verstärkungsmaterialien in Form von Fa sern aus Polymeren, Glas oder dem Textilbereich, in separaten Vorbehältern bevoratet. Sie werden gemeinsam in die Dosierein heit eingeführt und bei Raumtemperatur kurz miteinander ver mischt. Diese Mischung, die in einen Rakel-/Walzentrog über führt auf eine Temperatur von ca. 70 bis 100°C temperiert wird, wird auf einen vorgeheizten Trägerfilm aufgebracht, der optio nal noch darüberangeordnet eine hochporöse PTFE-Folie enthalten kann, in die die PEM-Lösung infiltrieren kann, mit dem Resultat eines verbesserten Quellverhaltens der Membran. Die erste Trocknung erfolgt in einem abgeschlossenen Volumen bei etwa 60 bis 110°C, bevorzugt bei etwa 80°C, bei dem sich über dem zu trocknenden Gut ein Sättigungsdampfdruck des verwendeten Löse mittels aufbaut. Es bildet sich in dem zum Trägerfilm abgewand ten Bereich an der Oberfläche ein dichter weniger poröser Deck film aus, der fast zu 100% aus reinem Polymer besteht. Durch die Anhebung der Lösemittelkonzentration über dem zu trocknen den Gut, wird die Trocknung in tieferen Schichten gehemmt, so daß sich keine Trockenrisse ausbilden. Anschließend durchläuft das zu trocknende Gut eine gut durchlüftete Trocknungszone bei einer Trocknungstemperatur von etwa 60 bis 110°C, bevorzugt etwa 80°C und es bilden sich auch in der zum Trägerfilm zuge wandten Seite Strukturen innerhalb der unteren Schichten aus. Die Trocknungsdauern betragen in beiden Zonen ungefähr 1 bis 25 Minuten, bevorzugt 2 bis 10 Minuten. In einem nachgeordneten Fällungsbad 9 wird der Fällungsvorgang mit einem organischen Lösungsmittel, bevorzugt mit NMP (N-Methyl-2-Pyrrolidon), vor genommen. Das Fällungsbad 9 enthält entionisiertes Wasser mit einer Temperatur im Bereich von etwa 0 bis 30°C, bevorzugt 0°C. Die durch den vorhergehenden Trocknungsgang eingeleitete Struk turbildung innerhalb der Membran wird durch den Fällungszeit punkt eingefroren inclusive dem zu diesem Zeitpunkt vorhandenen Polymerverteilungszustand, indem das in der Membranschicht noch vorhandene Lösungsmittel ausgetrieben wird. Das nach dem Fäl lungsbad optional nachgeschaltete wässrige Kochbad 10 löst bei einer Temperatur von etwa 70 bis 100°C die eventuell in der Membran vorhandenen Porenbildner über einen Zeitraum von unge fähr 1 bis 15 Minuten aus der Membran heraus. Das restliche noch vorhandene Wasser und das NMP wird in einem weiteren Trocknungsgang 11 bei etwa 20 bis 110°C in etwa 1 bis 10 Minu ten entfernt. Die bei diesem Verfahren hergestellte asymmetri sche Polymerelektrolytmembran entspricht weitestgehend der in der älteren, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung PCT/EP 00/08465 beschriebenen Membran.In the case of a membrane, which is produced by the phase inversion process, the starting materials for the production of a casting compound, which can contain other substances besides the polymer such as. B. reinforcing materials in the form of fibers from polymers, glass or textiles, in separate reservoirs. They are introduced together into the dosing unit and briefly mixed together at room temperature. This mixture, which is heated to a temperature of approx. 70 to 100 ° C in a squeegee / roller trough, is applied to a preheated carrier film, which can optionally contain a highly porous PTFE film in which the PEM Solution can infiltrate, resulting in improved swelling behavior of the membrane. The first drying takes place in a closed volume at approximately 60 to 110 ° C., preferably at approximately 80 ° C., at which a saturation vapor pressure of the solvent used builds up above the material to be dried. In the area facing away from the carrier film, a denser, less porous cover film is formed on the surface, which consists almost 100% of pure polymer. By increasing the solvent concentration above the material to be dried, drying is inhibited in deeper layers, so that no drying cracks form. The material to be dried then passes through a well-ventilated drying zone at a drying temperature of approximately 60 to 110 ° C., preferably approximately 80 ° C., and structures also form in the side facing the carrier film within the lower layers. The drying times in both zones are approximately 1 to 25 minutes, preferably 2 to 10 minutes. In a downstream precipitation bath 9 , the precipitation process is carried out with an organic solvent, preferably with NMP (N-methyl-2-pyrrolidone). The precipitation bath 9 contains deionized water with a temperature in the range from about 0 to 30 ° C., preferably 0 ° C. The structure formation initiated by the previous drying cycle within the membrane is frozen by the time of precipitation, including the polymer distribution state present at that time, by expelling the solvent still present in the membrane layer. The optional aqueous boiling bath 10 downstream of the precipitation bath dissolves the pore formers which may be present in the membrane from the membrane over a period of approximately 1 to 15 minutes at a temperature of approximately 70 to 100.degree. The remaining water and the NMP is removed in a further drying cycle 11 at about 20 to 110 ° C in about 1 to 10 minutes. The asymmetric polymer electrolyte membrane produced in this process largely corresponds to the membrane described in the older, not prepublished patent application PCT / EP 00/08465.
Als Festelektrolyt können Polymerelektrolyte auf Basis von Na fion der Fa. DuPont, aber auch Membranen auf Basis mindestens eines perfluorsulfonsäurehaltigen Polymers, eines fluorierten sulfonsäuregruppenhaltigen Polymers, eines Polymers auf Basis von Polysulfonen oder auf Basis eines polysulfonhaltigen Poly meren bzw. eines Polymers auf Basis von Polysulfon-Modifikati onen oder polysulfonhaltigen Modifikationen, z. B. PES oder PSU, eines Polymers auf Basis von Polyetherketonen, z. B. PEEK, PEK oder PEEKK, oder auf Basis eines polyetherketonhaltigen Polyme ren, eines Polymeren auf Basis von Polybenzimidazolen, auf Ba sis von Polyimiden, eines Polymers auf Basis von Trifluorsty rol, wie dies z. B. in WO 97/25369 der Fa. Ballard beschrieben ist, oder auf Basis einer Kompositmembran, wie dies als Bei spiel in einer älteren, nicht vorveröffentlichten Schrift DE 199 43 244 der Fa. DaimlerChrysler, in WO 97/25369 oder WO/06337 der Fa. Gore/DuPont de Nemours ausgeführt ist, Einsatz finden.Polymer electrolytes based on Na fion from DuPont, but also membranes based at least of a perfluorosulfonic acid-containing polymer, a fluorinated polymer containing sulfonic acid groups, a polymer based of polysulfones or based on a polysulfone-containing poly mers or a polymer based on polysulfone modifications onen or polysulfone-containing modifications, e.g. B. PES or PSU, a polymer based on polyether ketones, e.g. B. PEEK, PEK or PEEKK, or based on a polyether ketone-containing polymer ren, a polymer based on polybenzimidazoles, based on Ba sis of polyimides, a polymer based on trifluorsty rol how this z. B. described in WO 97/25369 from Ballard is, or on the basis of a composite membrane, such as this play in an older, unpublished font DE 199 43 244 from DaimlerChrysler, in WO 97/25369 or WO / 06337 by Gore / DuPont de Nemours, insert Find.
Die einzelnen Polymernamen sollen im erweiterten Sinne verstan den werden; so können z. B. unter dem Begriff Polysulfon oder Polyetherketon nicht nur Polymere verstanden werden, welche Alkylgruppen in der Kette beinhalten, sondern auch solche um fassen, die Arylgruppen bzw. generell aromatische Gruppen in der Kette enthalten.The individual polymer names should be understood in the broader sense that will; so z. B. under the term polysulfone or Polyether ketone should not only be understood as polymers Include alkyl groups in the chain, but also those around summarize the aryl groups or generally aromatic groups in included in the chain.
Eine bevorzugte Membran weist eines oder mehrere der obenge nannten Polymere und/oder Copolymere und/oder Polymerblends auf.A preferred membrane has one or more of the above called polymers and / or copolymers and / or polymer blends on.
Zur Sicherung einer gleichbleibenden hohen Qualität wird vor dem Einlaufen der fertig getrockneten Membran in den Laminier bereich kontinuierlich die Dicke und das Flächengewicht über prüft, deren Maßgenauigkeit für die nachfolgenden Arbeits schritte von entscheidender Bedeutung ist. Diese Maßnahme ist notwendig, um die Ausschußquote am Ende des Prozesses äußerst niedrig zu halten.In order to ensure a constant high quality the running of the dried membrane in the laminating continuously exceed the thickness and basis weight checks their dimensional accuracy for the subsequent work steps is critical. This measure is necessary to extreme the reject rate at the end of the process to keep low.
Durch die optimale Einstellung der Verfahrensparameter im kon tinuierlichen Verfahren und die Überprüfung der Qualität be reits bei der Herstellung der beiden Ausgangsmaterialien (Vlies und Membran) zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung, wird sichergestellt, daß die beim späteren Einsatz der MEA in der Brennstoffzelle geforderte Qualität sicher und kostenopti miert erreicht wird.Due to the optimal setting of the process parameters in the con continuous procedures and quality control be already in the production of the two starting materials (fleece and membrane) for producing a membrane electrode arrangement, it is ensured that the later use of the MEA in the quality required by the fuel cell safely and cost-effectively is achieved.
Die Zusammenführung der aus den Schritten a) und b) erhaltenen Schichten in einem Verfahrensschritt c) erfolgt vorzugsweise mittels einer kontinuierlich arbeitenden Doppelbandpresse 13. Bevorzugt werden Doppelbandpressen mit isobarer Druckverteilung eingesetzt, damit im gesamten Kontakt- oder Laminier- oder Re aktionsbereich der Presse ein definierter Druck eingestellt werden kann. Zur Erzeugung eines solchen Reaktionszonendrucks befindet sich in einer hinter dem Pressband angeordneten Druck kammer der Presse mindestens ein fluides Druckkissen. Um Druck zonen mit unterschiedlichen isobaren Drücken zu erhalten, wird die Druckkammer in einzelne und voneinander unabhängige mit Druck beaufschlagbare, gegeneinander abgedichtete Fluidkissen eingeteilt.The layers obtained from steps a) and b) are combined in a process step c) preferably by means of a continuously operating double belt press 13 . Double belt presses with isobaric pressure distribution are preferably used so that a defined pressure can be set in the entire contact or laminating or reaction area of the press. To generate such a reaction zone pressure, there is at least one fluid pressure cushion in a pressure chamber of the press arranged behind the press belt. In order to obtain pressure zones with different isobaric pressures, the pressure chamber is divided into individual, mutually independent, pressurized, mutually sealed fluid cushions.
Ferner wird eine Doppelbandpresse eingesetzt, bei der eine Reaktions- oder Kontaktzone in ein oder mehrere Bereiche aufge teilt wird, der bzw. die geheizt und/oder gekühlt wird bzw. werden und wobei die ein oder mehreren Bereiche mit gleicher oder unterschiedlicher Temperatur beaufschlagt werden können. Die Zonen können direkt elektrisch beheizt oder indirekt über ein flüssiges Wärmeträgermedium beheizt oder gekühlt werden. Zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung mittels einer Doppelbandpresse wird ein Temperaturprogramm durchgefahren, bei dem in einem ersten Schritt die Reaktionszone oder Kontaktzone auf eine materialabhängige, vorgegebene Temperatur hochgeheizt, diese Temperatur eine definierte Zeit, die materialabhängig ist, gehalten wird, und bei Bedarf in einem zweiten Schritt die Temperatur auf eine weitere Temperatur abgekühlt wird, diese Temperatur eine definierte Zeit gehalten, bevor in einem letz ten Schritt die Vorrichtung auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Die Doppelbandpressen arbeiten vorzugsweise bei einer Geschwin digkeit von 0,5 bis 30 m/min.Furthermore, a double belt press is used, in which one Reaction or contact zone in one or more areas is divided, which is heated and / or cooled or and the one or more areas with the same or different temperatures can be applied. The zones can be directly heated electrically or indirectly via a liquid heat transfer medium can be heated or cooled. To produce a membrane electrode assembly using a Double belt press is run through a temperature program at in a first step the reaction zone or contact zone heated up to a material-dependent, predetermined temperature, this temperature a defined time that depends on the material is held, and if necessary in a second step the Temperature is cooled to a further temperature, this Temperature held for a defined time before in a last step the device is cooled to room temperature. The double belt presses preferably work at one speed speed from 0.5 to 30 m / min.
Um ein Abreißen der Folienbahn zu verhindern und ein gleichmä ßiges Durchlaufen zu gewährleisten, kann der Doppelbandpresse ein sogenannter Bahnpuffer in Form einer Pendelumlenkrolle und/oder gesteuerter Auf- und/oder Abwickler vor- und/oder nachgeschaltet sein.To prevent tearing of the film web and an even The double belt press can ensure smooth running a so-called web buffer in the form of a pendulum pulley and / or controlled rewinder and / or unwinder pre-and / or downstream.
Generell können jedoch auch isochore Doppelbandpressen, d. h. rollengestützte Pressen mit fest eingebautem Rollenbett, einge setzt werden. Auch normale Rollen-Kaschiereinheiten mit ein oder mehrfach hintereinander geschalteten Einheiten, wie aus dem Kalandrierbereich bekannt, können zur Laminierung verwendet finden.Generally, however, isochore double belt presses, i. H. roller-supported presses with built-in roller bed, turned be set. Also normal roll-laminating units or units connected several times in succession, such as from known in the calendering area, can be used for lamination Find.
Im Anschluß an Schritt c) und/oder d) (Abziehen 14 des Träger films 4) wird in einem weiteren Schritt e) ein Katalysatormate rial mittels elektrochemischer Abscheidung 15 durch eine Poly merelektrolytmembran 5, 12 hindurch aufgebracht, d. h. das Kata lysatormaterial befindet sich in einem Übergangsbereich zwi schen Membran 5, 12 und Pufferschicht 2 (bei mehreren Puffer schichten zwischen der Membran und der vom Substrat 1 am ent ferntesten liegenden Pufferschicht). Dies kann in kontinuierli cher Weise oder in einem separaten Arbeitsschritt erfolgen. Hierzu wird eine Abscheidungsapparatur wie in Fig. 2 darge stellt, zugeschaltet, die aus einem Walzentrog 23 besteht, der gleichzeitig als Arbeitselektrode, sprich Kathode, ausgelegt ist. Die darin rollierende Walze 22 weist an ihren Umfangsrän dern einen Dichtring 21 auf und ist zwischen den Dichtringen abgesetzt ausgebildet, d. h. sie weist eine Verjüngung auf. Die Walze 22 selbst ist als Gegen-elektrode, hier Anode, ausgebil det und transportiert die durchlaufende Materialbahn 20, welche sich aus Substrat 1, mindestens einer Pufferschicht 2 und min destens einer Polymerelektrolythaltige Schicht 5, 12 zusammen setzt. Der Dichtring 21 selbst preßt die zwischen Trog und Wal ze durchlaufende Materialbahn 20 gegen die Arbeitselektrode und dichtet gleichzeitig die Substratseite 1 gegen die Abscheidelö sung 24 ab. Die Walze weist Perforationen auf, durch die diese Abscheidelösung als frische Lösung zuläuft bzw. als verbrauchte Lösung wieder abgezogen werden kann. Die Abscheidelösung be steht aus einem oder mehreren in einem Lösungsmittel gelösten Komplexsalzen eines oder mehrerer Katalysatoren, die vornehm lich Metalle der Gruppe VIb, VIIIb und/oder Ib sind. Bevorzugt wird als Abscheidelösung Hexachloroplatinsäure (H2PtCl6 × 6 H2O) mit einem Gehalt von 5 g/l in 0,1 M Schwefelsäure verwendet. Die Materialbahn enthält neben einem Substrat, mindestens eine Pufferschicht und mindestens eine Polymerelektrolytmembran haltige Schicht, wobei letztere der Gegenelektrode zugewandt ist. Der in der Lösung enthaltene Katalysator wird elektroche misch durch die Membran hindurch in einen Übergangsbereich zwi schen Membran und Pufferschicht und zwar auf die von dem Sub strat am entferntesten liegenden Pufferschicht abgeschieden. Der Übergangsbereich kann unscharf und unregelmäßig ausgebildet sein. Die Abscheidung erfolgt bevorzugt bei vorgegebenem Poten tial bzw. Spannungsvorgabe. Die Abscheidung erfolgt bei Raum temperatur oder bei Temperaturen bis zu 80°C. Die Abscheide dauer umfaßt je nach Temperatur 2 bis ca. 20 min. Die Abschei deparameter umfassen einen Offsetbereich von mindestens 1,3 bis mindestens 1,5 Volt, eine Amplitude von mindestens 1,3 Volt und ein Spannungsprofil (z. B. Gleichspannung mit überla gerter Rechteck-, Sinus- oder Dreieckspannung) in einem Fre quenzbereich zwischen 6 Hz bis max. 2 kHz. Die Abscheidung kann auch mittels Gleichstrom mit einer Spannung von etwa 1 bis 3 Volt, bevorzugt von etwa 1,3 bis 1,5 Volt, erfolgen. Die Abscheidung kann auch mittels Gleichstrom mit einer Spannung von etwa 1,5 Volt erfolgen. Je nach eingesetztem Katalysator oder Katalysatorlegierung müssen die Abscheideparameter varia bel angepaßt werden.Following step c) and / or d) (pulling off 14 of the carrier film 4 ) in a further step e) a catalyst material is applied by means of electrochemical deposition 15 through a poly merelectrolyte membrane 5 , 12 , ie the catalyst material is in a transition area between the membrane's 5 , 12 and buffer layer 2 (in the case of several buffer layers between the membrane and the buffer layer which is the most distant from the substrate 1 ). This can be done in a continuous manner or in a separate step. For this purpose, a deposition apparatus as shown in FIG. 2 is connected, which consists of a roller trough 23 , which is also designed as a working electrode, that is to say a cathode. The roller 22 rolling therein has a sealing ring 21 on its peripheral edges and is formed between the sealing rings, ie it has a taper. The roller 22 itself is designed as a counter electrode, here anode, and transports the continuous material web 20 , which is composed of substrate 1 , at least one buffer layer 2 and at least one polymer electrolyte-containing layer 5 , 12 . The sealing ring 21 itself presses the material web 20 passing through between the trough and the roller ze against the working electrode and at the same time seals the substrate side 1 against the separating solution 24 . The roller has perforations through which this separation solution flows in as a fresh solution or can be removed as a used solution. The deposition solution consists of one or more complex salts, dissolved in a solvent, of one or more catalysts, which are primarily metals of Group VIb, VIIIb and / or Ib. Hexachloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 × 6 H 2 O) with a content of 5 g / l in 0.1 M sulfuric acid is preferably used as the deposition solution. In addition to a substrate, the material web contains at least one buffer layer and at least one layer containing polymer electrolyte membrane, the latter facing the counter electrode. The catalyst contained in the solution is electrochemically deposited through the membrane into a transition region between the membrane and the buffer layer, specifically onto the buffer layer which is the most distant from the substrate. The transition area can be fuzzy and irregular. The deposition is preferably carried out at a given potential or voltage specification. The separation takes place at room temperature or at temperatures up to 80 ° C. The deposition time ranges from 2 to approx. 20 min, depending on the temperature. The separation parameters include an offset range of at least 1.3 to at least 1.5 volts, an amplitude of at least 1.3 volts and a voltage profile (e.g. direct voltage with superimposed square wave, sine or triangular voltage) in a frequency range between 6 Hz to max. 2 kHz. The deposition can also be carried out by means of direct current with a voltage of approximately 1 to 3 volts, preferably approximately 1.3 to 1.5 volts. The deposition can also be carried out by means of direct current with a voltage of approximately 1.5 volts. Depending on the catalyst or catalyst alloy used, the separation parameters must be adjusted variably.
Im Anschluß an Schritt c) und/oder d) und/oder e) wird in einem weiteren Schritt f) des kontinuierlichen Verfahrens eine nach den Ansprüchen 1 bis 9 ausgeführte Membranelektrodenanordnung 16 mit einer weiteren Membranelektrodenanordnung 17, die paral lel und gleichzeitig zur ersten Membranelektrodenanordnung oder in einem separaten Arbeitsschritt nach den Ansprüchen 1 bis 9 hergestellt wird, membranseitig zusammengefügt. Dieser Lami nierschritt erfolgt ebenfalls vorzugsweise mittels Doppelband presse 18 mit isobarer Druckverteilung. Es können jedoch auch isochore Doppelbandpressen oder normale Rollenkaschiereinheiten eingesetzt werden.Following step c) and / or d) and / or e) in a further step f) of the continuous process, a membrane electrode arrangement 16 designed according to claims 1 to 9 is provided with a further membrane electrode arrangement 17 which is parallel and simultaneously to the first membrane electrode arrangement or is produced in a separate working step according to claims 1 to 9, assembled on the membrane side. This lamination step is also preferably carried out by means of a double belt press 18 with isobaric pressure distribution. However, isochore double belt presses or normal roll laminating units can also be used.
In einer anderen Ausführungsform kann ferner eine weitere Poly merelektrolytmembranhaltige Schicht 19 in einem Verfahrens schritt g) in kontinuierlicher Weise während der Ausführung des Verfahrensschrittes f) membranseitig zwischen beide Membran elektrodenanordnungen zugeführt werden. Die Laminierung erfolgt auch hier bevorzugt mittels Doppelbandpresse.In another embodiment, a further layer 19 containing polymer electrolyte membranes can be fed in a method step g) in a continuous manner during the execution of method step f) on the membrane side between the two electrode arrangements. The lamination is also preferably carried out here by means of a double belt press.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein Verbund zwischen zwei Membranelektrodenanordnungen durch Aufsprühen einer poly merelektrolythaltigen Lösung und/oder eines Lösungsmittels membranseitig auf die Membranelektrodenanordnungen und durch Zusammenfügen der beiden Membranelektrodenanordnungen unter Druck und Temperatur erzeugt werden.In a further embodiment, a composite between two membrane electrode assemblies by spraying a poly merelectrolyte-containing solution and / or a solvent membrane side on the membrane electrode assemblies and through Merge the two membrane electrode assemblies under Pressure and temperature are generated.
Claims (18)
- a) Beschichten und/oder Imprägnieren eines kohlenstoffhalti gen Substrates mit anschließender Trocknung,
- b) Herstellung einer Polymerelektrolytmembran durch Beschich tung eines Trägerfilms mit einer PEM-haltigen Lösung oder Paste oder Suspension mit nachfolgender Trocknung oder Verwendung einer fertigen Polymerelektrolytmembran,
- c) Zusammenführung der aus den Schritten a) und b) erhaltenen Schichten,
- d) und bei Verwendung eines Trägerfilms in Schritt b) an schließendes Abziehen dieses Films,
- a) coating and / or impregnation of a carbon-containing substrate with subsequent drying,
- b) production of a polymer electrolyte membrane by coating a carrier film with a PEM-containing solution or paste or suspension with subsequent drying or use of a finished polymer electrolyte membrane,
- c) bringing together the layers obtained from steps a) and b),
- d) and if a carrier film is used in step b), then peeling off this film,
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6921599B2 (en) | 2001-08-24 | 2005-07-26 | Daimlerchrysler Ag | Sealing assembly for an MEA and method for manufacturing the sealing assembly |
EP1659655A3 (en) * | 2004-11-23 | 2006-08-30 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Method for manufacturing an electrode-electrolyte structure and electrode-electrolyte structure |
DE112004002350B4 (en) * | 2003-12-02 | 2009-09-10 | Nissan Motor Co., Ltd., Yokohama-shi | Method and device for producing a fuel cell |
WO2013037591A1 (en) | 2011-09-15 | 2013-03-21 | Siemens Aktiengesellschaft | Method for the dry production of a membrane-electrode unit, membrane-electrode unit, and roller arrangement |
CN114464820A (en) * | 2022-04-08 | 2022-05-10 | 湖南隆深氢能科技有限公司 | Equipment for fuel cell GDL (gas diffusion layer) dewatering process |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109847974B (en) * | 2018-11-23 | 2021-07-09 | 一汽解放汽车有限公司 | Proton exchange membrane fuel cell membrane electrode spraying clamp and method for preparing membrane electrode by using same |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19509749C2 (en) * | 1995-03-17 | 1997-01-23 | Deutsche Forsch Luft Raumfahrt | Process for producing a composite of electrode material, catalyst material and a solid electrolyte membrane |
DE19548421B4 (en) * | 1995-12-22 | 2004-06-03 | Celanese Ventures Gmbh | Process for the continuous production of membrane electrode assemblies |
CA2266868A1 (en) * | 1996-06-26 | 1997-12-31 | Siemens Aktiengesellschaft | Method of producing membrane electrode units for pem fuel cells |
US5910378A (en) * | 1997-10-10 | 1999-06-08 | Minnesota Mining And Manufacturing Company | Membrane electrode assemblies |
DE19910773A1 (en) * | 1999-03-11 | 2000-09-28 | Degussa | Process for applying electrode layers to a band-shaped polymer electrolyte membrane for fuel cells |
DE19911413B4 (en) * | 1999-03-15 | 2005-10-27 | Infineon Technologies Ag | Preparation of cation exchange membrane thin films |
-
2001
- 2001-05-18 DE DE10124272A patent/DE10124272A1/en not_active Withdrawn
-
2002
- 2002-03-05 WO PCT/EP2002/002370 patent/WO2002095857A1/en not_active Application Discontinuation
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6921599B2 (en) | 2001-08-24 | 2005-07-26 | Daimlerchrysler Ag | Sealing assembly for an MEA and method for manufacturing the sealing assembly |
DE112004002350B4 (en) * | 2003-12-02 | 2009-09-10 | Nissan Motor Co., Ltd., Yokohama-shi | Method and device for producing a fuel cell |
US7993798B2 (en) | 2003-12-02 | 2011-08-09 | Nissan Motor Co., Ltd | Manufacture of fuel cell |
US8470498B2 (en) | 2003-12-02 | 2013-06-25 | Nissan Motor Co., Ltd. | Manufacture of fuel cell |
US8771902B2 (en) | 2003-12-02 | 2014-07-08 | Nissan Motor Co., Ltd. | Manufacture of fuel cell |
EP1659655A3 (en) * | 2004-11-23 | 2006-08-30 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Method for manufacturing an electrode-electrolyte structure and electrode-electrolyte structure |
WO2013037591A1 (en) | 2011-09-15 | 2013-03-21 | Siemens Aktiengesellschaft | Method for the dry production of a membrane-electrode unit, membrane-electrode unit, and roller arrangement |
US9365020B2 (en) | 2011-09-15 | 2016-06-14 | Siemens Aktiengesellschaft | Method for the dry production of a membrane electrode unit, membrane electrode unit, and roller arrangement |
CN114464820A (en) * | 2022-04-08 | 2022-05-10 | 湖南隆深氢能科技有限公司 | Equipment for fuel cell GDL (gas diffusion layer) dewatering process |
CN114464820B (en) * | 2022-04-08 | 2022-07-12 | 湖南隆深氢能科技有限公司 | Equipment for fuel cell GDL hydrophobic process |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |