DE102010056133A1 - Substrate coating method for production of diffusion electrode of e.g. gas proton exchange membrane fuel cell, that is utilized to generate electrical energy from fuel e.g. hydrogen, involves optionally drying sprayed layer - Google Patents

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Abstract

The method involves preparing suspension of coating material and suspension agent, where the suspension agent is selected from a group of aliphatic hydrocarbon and mixture of aliphatic hydrocarbon at a boiling point between 10 to 100 degree Celsius. The suspension agent is sprayed on the support material. The sprayed layer is optionally dried. The spraying step is optionally repeated in connection with preparation and drying processes. A gas diffusion layer or a membrane is used as support material. The coating material is used as functional coating material.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Trägermaterial zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode einer Brennstoffzelle, insbesondere einer PEM-Brennstoffzelle.The invention relates to a method for coating carrier material for producing a gas diffusion electrode of a fuel cell, in particular a PEM fuel cell.

Brennstoffzellen dienen zur Erzeugung elektrischer Energie. Dabei wandeln die Brennstoffzellen chemisch gespeicherte Energie von Treibstoffen wie Wasserstoff, Methanol, Ethanol oder Methan mit höher Effizienz in elektrischen Strom und Wärme um. Ein Typ einer Brennstoffzelle ist die PEM-Brennstoffzelle (Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle), die als NT-PEM-Brennstoffzelle (Niedertemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle) oder als HT-PEM-Brennstoffzelle (Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle) ausgestaltet sein kann. Eine einzelne PEM-Brennstoffzelle besteht aus zwei Stromabnehmerplatten mit integriertem Gasflussfeld für die Reaktionsgase und einer Membran-Elektronen-Einheit (MEA, membrane electrode assembly); um ausreichende Leistungen zu erzeugen, werden in der Praxis üblicherweise mehrere Bennstoffzellen in einem Schichtaufbau zu einem sogenannten Brennstoffzellen-Stapel oder Brennstoffzellen-Stack zusammengeschaltet. Die MEA ist ein Verbund von zwei Gasdiffusionselektroden (GDE, gas diffusion electrode) mit einer Polymer-Membran. Die Elektroden bestehen aus einem gasdurchlässigen und vorzugsweise stromleitenden Trägermaterial, nämlich einer sogenannten Gasdiffusionslage (GDL, gas diffusion layer) vorzugsweise aus Kohlenstoff, auf dem Katalysatormaterial aufgetragen ist. Die Gasdiffusionslage (GDL) kann bei geeignetem Aufbau vorzugsweise mehrere Aufgaben gleichzeitig erfüllen, nämlich erstens die Reaktionsgase zu verteilen, zweitens den elektrischen Strom von den reaktiven Zonen zu den Stromabnehmerplatten zu leiten, und/oder drittens die Polymer-Membran mechanisch zu stützen. Die GDL kann mit einer aufgeprägten mikroporösen Schicht (MPL, microporous layer), die als Sperrschicht für Wasser und Phosphorsäure dient und einen hohen Anteil an Polytetrafluorethylen (PTFE) aufweist, versehen sein, die dann zwischen der GDL und dem Katalysatormaterial angeordnet ist.Fuel cells serve to generate electrical energy. The fuel cells convert chemically stored energy from fuels such as hydrogen, methanol, ethanol or methane with higher efficiency into electricity and heat. One type of fuel cell is the PEM fuel cell (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), which is referred to as NT-PEM fuel cell (low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell) or HT-PEM fuel cell (high-temperature polymer electrolyte Membrane fuel cell) can be configured. A single PEM fuel cell consists of two collector plates with integrated gas flow field for the reaction gases and a membrane electrode assembly (MEA); In order to generate sufficient power, in practice, a plurality of fuel cells are usually interconnected in a layer structure to form a so-called fuel cell stack or fuel cell stack. The MEA is a composite of two gas diffusion electrodes (GDE) with a polymer membrane. The electrodes consist of a gas-permeable and preferably electrically conductive carrier material, namely a so-called gas diffusion layer (GDL, gas diffusion layer), preferably of carbon, on which catalyst material is applied. The gas diffusion layer (GDL) may, with a suitable structure, preferably fulfill several tasks simultaneously, namely firstly distributing the reaction gases, secondly conducting the electric current from the reactive zones to the current collector plates, and / or thirdly mechanically supporting the polymer membrane. The GDL may be provided with an imprinted microporous layer (MPL) which serves as a barrier to water and phosphoric acid and has a high content of polytetrafluoroethylene (PTFE), which is then interposed between the GDL and the catalyst material.

Für die Fertigung von Gasdiffusionselektroden (GDE) bzw. zur Beschichtung des Trägermaterials GDL mit dem Katalysatormaterial existiert eine Vielzahl von Verfahren, die jeweils spezifische Vor- und Nachteile aufweisen. Zu diesen Verfahren zählen das Siebdruck-, Ziehrakel-, CCM-(katalysatorbeschichtete Membran, catalyst coated membrane) oder Sprühverfahren.For the production of gas diffusion electrodes (GDE) or for coating the carrier material GDL with the catalyst material, there are a large number of processes which each have specific advantages and disadvantages. These methods include the screen printing, drawing bar, catalyst coated membrane (CCM) or spray process.

Beim Siebdruck-Verfahren wird auf die zu beschichtenden Materialien wie GDL eine mechanische Belastung durch ein Sieb, das durch ein Rakel auf den Träger gepresst wird, ausgeübt. Durch diese mechanische Belastung ist ein mehrschichtiger Aufbau nicht möglich.In the screen printing process, a mechanical load is applied to the materials to be coated, such as GDL, through a sieve which is pressed onto the carrier by a doctor blade. Due to this mechanical stress, a multilayer structure is not possible.

Auch bei dem CCM-Verfahren werden die Trägermaterialien mechanisch belastet, wobei hier anstatt der GDL die Membran beschichtet wird. Die Belastung entsteht dabei beim Aufbringen der katalytischen Schicht auf die Membran: diese wird in der Regel unter Druck auf die Membran aufgewalzt bzw. gepresst. Auch hier ist ein mehrschichtiger Aufbau schlecht möglich.Also in the CCM process, the support materials are subjected to mechanical stress, in which case the membrane is coated instead of the GDL. The load arises during the application of the catalytic layer on the membrane: this is usually rolled or pressed under pressure on the membrane. Again, a multi-layered structure is poorly possible.

Beim Ziehrakelverfahren wird ein flüssiger Film auf die GDL (Gasdiffusionslage) mittels eines Ziehrakels aufgetragen. Dieses Verfahren ist ein einfaches und präzises Verfahren zur Fertigung von Gasdiffusionselektroden mit einer Schicht. Ein mehrfacher Schichtaufbau gestaltet sich mit dem Ziehrakelverfahren jedoch schwierig, da bei einem nochmaligen Beschichtungsvorgang die bestehende Schicht oder Schichten Reibungs- und Kompressionskräfte ausgesetzt ist. Diese entstehen wenn eine Paste zur Beschichtung, d. h. eine Suspension aus Feststoffen und Suspensionsmittel, zwischen der GDL und dem Spalt des Ziehrakels hindurch gefördert wird. Zudem können teilweise durch Trocknungseffekte zusätzliche Schichten nur schwer aufgebracht werden. Wird z. B. auf eine trockene Schicht ein weiterer flüssiger Film gezogen, so kann es dazu kommen, dass die vorhandene Schicht das Suspensionsmittel aufsaugt und so eine gleichmäßige Beschichtung verhindert.In the draw bar process, a liquid film is applied to the GDL (gas diffusion layer) by means of a drawing knife. This method is a simple and accurate method of fabricating gas diffusion electrodes with a single layer. However, a multiple layer structure is difficult to achieve with the doctor blade method, since in a repeated coating process the existing layer or layers is subjected to frictional and compressive forces. These arise when a paste for coating, d. H. a suspension of solids and suspending agent is conveyed between the GDL and the nip of the drawing knife. In addition, additional layers are difficult to apply due to drying effects. If z. B. drawn on a dry layer, another liquid film, it may happen that the existing layer absorbs the suspending agent and thus prevents a uniform coating.

Um vorgenannte Probleme, wie starke mechanische Belastung oder ungleiche Beschichtung, zu vermeiden, kann das Sprühverfahren eingesetzt werden. So lassen sich über einen definiertem Sprühnebel gleichmäßige Schichten auftragen, ohne dass es zu Austrocknungseffekten der aufzutragenden Schicht mit der bestehenden Schicht kommt. Allerdings werden hoch siedende Suspensionsmittel, wie beispielsweise N,N-Dimethylacetamid (DMAc), eingesetzt, sodass das Austrocknen von nassen Schichten einen hohen Energieaufwand und lange Verweilzeiten beim Trocknen erfordert. Ein entsprechendes Sprühverfahren ist beispielsweise in der DE 19544323 A1 beschrieben, bei dem ein Gemisch aus Wasser und einem Alkohol (aliphatischer Alkohol) zur Herstellung einer Suspension verwendet wird. Die Mischung aus Wasser und Alkohol verhindert einerseits eine Oxidation und damit eine Entzündung des Alkohols am Katalysatormaterial sowie andererseits zu starke Wechselwirkungen des Wassers mit dem PTFE-Anteil in der Suspension. Da jedoch Wasser eine hohe Wärmekapazität aufweist, ist eine hoher Energiebedarf mit längeren Trocknungszeiten gegeben. Somit sind die bekannten Sprühverfahren relativ kostenaufwändig, was noch dadurch verstärkt wird, dass durch einen sogenannten Overspray (Material das am Werkstück vorbeigesprüht wird) edelmetallhaltiges Katalysatormaterial verloren geht.In order to avoid the aforementioned problems, such as heavy mechanical stress or uneven coating, the spray process can be used. For example, uniform coatings can be applied over a defined spray mist without drying effects of the layer to be applied with the existing layer occurring. However, high-boiling suspending agents, such as N, N-dimethylacetamide (DMAc), are used, so that the drying of wet layers requires a high energy consumption and long residence times in drying. A corresponding spray method is for example in the DE 19544323 A1 described in which a mixture of water and an alcohol (aliphatic alcohol) is used to prepare a suspension. On the one hand, the mixture of water and alcohol prevents oxidation and thus ignition of the alcohol on the catalyst material and, on the other hand, excessive interactions of the water with the PTFE fraction in the suspension. However, since water has a high heat capacity, there is a high energy requirement with longer drying times. Thus, the known spray methods are relatively expensive, which is further enhanced by the fact that by a so-called overspray ( Material that is sprayed past the workpiece) precious metal-containing catalyst material is lost.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sprühverfahren zur Beschichtung von Trägermaterialien für eine Gasdiffusionselektrode zu schaffen, das gegenüber den Sprühverfahren nach dem Stand der Technik wirtschaftlicher ist.The invention has for its object to provide a spray method for coating substrates for a gas diffusion electrode, which is more economical compared to the spraying method according to the prior art.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a method having the features of claim 1.

Es wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Beschichtung von Trägermaterial zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode für eine PEM-Brennstoffzelle, vorzugsweise eine HT-PEM-Brennstoffzelle, zur Verfügung gestellt. Es werden verfahrensgemäß ein oder mehrere katalysatorhaltige und/oder funktionelle Schichten aufgebracht. Funktionelle Schichten sind Schichten, die beispielsweise hydrophile oder hydrophobe Eigenschaften aufweisen oder die Protonenleitfähigkeit beeinflussen. Es ist natürlich auch möglich, die katalysatorhaltige Schicht bzw. Schichten entsprechend funktionell auszurüsten. Für bestimmte Anwendungen ist es jedoch vorteilhaft, katalysatorhaltige und funktionelle Schichten separat auszuführen.According to the invention, a method is provided for coating carrier material for producing a gas diffusion electrode for a PEM fuel cell, preferably an HT-PEM fuel cell. According to the method, one or more catalyst-containing and / or functional layers are applied. Functional layers are layers which, for example, have hydrophilic or hydrophobic properties or influence the proton conductivity. Of course, it is also possible to equip the catalyst-containing layer or layers correspondingly functionally. For certain applications, however, it is advantageous to carry out catalyst-containing and functional layers separately.

Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

  • a) Herstellen einer Suspension aus einem Beschichtungsmaterial und einem Suspensionsmittel, wobei das Suspensionsmittel aus der Gruppe der aliphatischen Kohlenwasserstoffe ausgewählt wird sowie einen Siedepunkt zwischen 10 bis 100°C aufweist,
  • b) Aufsprühen der Suspension auf das Trägermaterial, und
  • c) gegebenenfalls Trocknen der aufgesprühten Schicht.
The method comprises the following steps:
  • a) preparing a suspension of a coating material and a suspending agent, wherein the suspending agent is selected from the group of aliphatic hydrocarbons and has a boiling point between 10 to 100 ° C,
  • b) spraying the suspension onto the carrier material, and
  • c) optionally drying the sprayed layer.

Sofern mehrere Schichten aufzubringen sind, auch aus unterschiedlichen Materialien, kann der Schritt b) gegebenenfalls in Verbindung mit Schritt a) und gegebenenfalls c) ein- oder mehrmals wiederholt werden, wobei die jeweilige Schichtdicke durch die Zeitdauer des jeweiligen Sprühvorgangs und die Konzentration der jeweiligen aufgesprühten Suspension definiert wird.If several layers are to be applied, also from different materials, step b) optionally in connection with step a) and optionally c) can be repeated one or more times, the respective layer thickness being determined by the duration of the respective spraying process and the concentration of the respective sprayed Suspension is defined.

Das Aufsprühen erfolgt mittels eines geeigneten Treibgases, vorzugsweise eines inerten Treibgases wie beispielsweise Stickstoff.The spraying takes place by means of a suitable propellant gas, preferably an inert propellant gas such as nitrogen.

Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist die Auswahl des Suspensionsmittels, da dadurch eine sehr kurze Trocknungszeit erreicht werden kann und vorteilhafterweise keine Gefahr einer Selbstentzündung, im Vergleich zu entsprechenden Suspensionsmitteln aus dem Stand der Technik, besteht.Essential for the process according to the invention is the selection of the suspending agent, as a very short drying time can be achieved and advantageously no risk of spontaneous combustion, compared to corresponding suspending agents from the prior art exists.

Besonders bevorzugt sind folgende Suspensionsmittel: n-Pentan, Methylbutan, Dimethylpropan, n-Hexan, 2-Methylpentan, 3-Methylpentan, 2,2-Dimethylbutan, 2,3-Dimethylbutan, Cyclohexan, n-Heptan, 2-Methylhexan, 3-Methyl-hexan, 2,2-Dimethylpentan, 2,3-Dimethylpentan, 2,4-Dimethylpentan, 3,3-Dimethylpentan, 3-Ethylpentan, 2,2,3-Trimethylbutan oder deren Gemische sowie Fraktionen der Petrolether.Particular preference is given to the following suspending agents: n-pentane, methylbutane, dimethylpropane, n-hexane, 2-methylpentane, 3-methylpentane, 2,2-dimethylbutane, 2,3-dimethylbutane, cyclohexane, n-heptane, 2-methylhexane, 3 Methylhexane, 2,2-dimethylpentane, 2,3-dimethylpentane, 2,4-dimethylpentane, 3,3-dimethylpentane, 3-ethylpentane, 2,2,3-trimethylbutane or mixtures thereof and fractions of petroleum ether.

Der erfindungsgemäße Bereich der Siedetemperatur des Suspensionsmittels führt zu einer Verringerung der Trocknungszeit im Vergleich zum Stand der Technik von 10 bis 20 Stunden auf 1 bis 300 Sekunden, vorzugsweise bei einer Temperatur von 20–30°C. Damit ist eine Trocknung, sofern überhaupt notwendig, ohne wesentliche Unterbrechung des Verfahrens möglich.The inventive range of the boiling point of the suspending agent leads to a reduction in the drying time compared to the prior art from 10 to 20 hours to 1 to 300 seconds, preferably at a temperature of 20-30 ° C. For a drying, if necessary, without substantial interruption of the process is possible.

Über die Siedetemperatur des Suspensionsmittels kann, wie bereits ausgeführt, die Trocknungszeit bestimmt werden. Dabei kann der Siedepunkt so gewählt werden, dass das Beschichtungsmaterial entweder durch ein Treibgas während des Sprühvorgangs getrocknet wird und eine pulverförmige Schicht bildet oder zuerst als nasse Schicht aufgetragen wird. So können trockene, pulverförmige Schichten bis hin zu sehr nassen Schichten auf die entsprechenden Unterlagen aufgetragen werden. Dies erleichtert den Schichtaufbau mit unterschiedlichen Schichten.As already mentioned, the drying time can be determined via the boiling point of the suspending agent. In this case, the boiling point can be selected so that the coating material is either dried by a propellant gas during the spraying process and forms a powdery layer or is first applied as a wet layer. So dry, powdery layers can be applied to very wet layers on the appropriate documents. This facilitates the layer structure with different layers.

Zur Herstellung trockener bzw. pulverförmiger Schichten weist das Suspensionsmittel vorzugsweise einen Siedepunkt von 10 bis 50°C und zur Herstellung nasser Schichten einen Siedepunkt von 50 bis 100°C auf, wobei sich diese Bereiche je nach Verfahrensführung, d. h. in Abhängigkeit vom Druck des Treibgases oder dergleichen, auch verschieben bzw. überschneiden können.For the preparation of dry or powdery layers, the suspending agent preferably has a boiling point of 10 to 50 ° C and for the preparation of wet layers to a boiling point of 50 to 100 ° C, these areas depending on the process, d. H. depending on the pressure of the propellant gas or the like, can also move or overlap.

Die verwendeten leicht flüchtigen Suspensionsmittel sind beim Kontakt mit dem eingesetztem Katalysatormaterial vorteilhafterweise oxidationsstabil.The readily volatile suspending agents used are advantageously stable to oxidation on contact with the catalyst used.

Dementsprechend ergibt sich ein sehr wirtschaftliches Verfahren, bei dem zudem die sicherheitsrelevanten Anforderungen geringer ausfallen als bei den Verfahren nach dem Stand der Technik. Das erfindungsgemäße Verfahren verringert beispielsweise eine Brandgefahr bei platinhaltigen Katalysatoren durch die Verwendung von oxidationsstabilen aliphatischen Kohlenwasserstoffen.Accordingly, there is a very economical process, in which moreover the safety-related requirements are lower than in the methods of the prior art. The process according to the invention reduces, for example, a fire hazard in the case of platinum-containing catalysts by the use of oxidation-stable aliphatic hydrocarbons.

Als Trägermaterial werden eine Gasdiffusionslage (GDL) oder eine Membran verwendet, wobei bei der GDL vor der erfindungsgemäßen Beschichtung bereits eine mikroporöse Schicht aufgeprägt oder in anderer Weise aufgebracht werden kann.The carrier material used is a gas diffusion layer (GDL) or a membrane, wherein in the case of the GDL, a microporous layer can already be imprinted or otherwise applied before the coating according to the invention.

Die verwendeten Materialien zur Beschichtung und die Trägermaterialien sind ansonsten aus dem Stand der Technik bekannt. The materials used for the coating and the carrier materials are otherwise known from the prior art.

Das katalysatorhaltige Beschichtungsmaterial und das funktionale Beschichtungsmaterial können in beliebiger Abfolge oder auch allein mit mehreren Schichten aufgesprüht werden, wobei in Abhängigkeit vom Suspensionsmittel vorteilhafterweise mehrere Schichten bereits durch ein stoßweises Sprühen erzeugt werden können.The catalyst-containing coating material and the functional coating material can be sprayed on in any desired sequence or else with several layers alone, wherein, depending on the suspending agent, advantageously several layers can already be produced by an intermittent spraying.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt beim Aufsprühen, wobei durch entsprechende Auswahl das Suspensionsmittel sehr schnell verdampft, eine elektrostatische Aufladung des Beschichtungsmittels. Diese Variante erfolgt analog zu bekannten Pulverbeschichtungsverfahren. Hierbei werden vorteilhafterweise besonders gleichmäßige Schichten mit einem verbesserten Aufbau mit starker Fixierung der bestehenden Schichten erhalten.According to a particularly preferred embodiment of the method takes place during spraying, whereby by appropriate selection, the suspending agent evaporates very quickly, an electrostatic charge of the coating composition. This variant takes place analogously to known powder coating methods. In this case, particularly uniform layers having an improved structure with strong fixation of the existing layers are advantageously obtained.

Die hohen Dampfdrücke bzw. die niedrigen Siedepunkte des Suspensionsmittels vereinfachen das Recycling von Suspensionsmittel und Beschichtungsmaterial. Der Overspray kann einfach über eine Entlüftung abgesaugt werden, wobei das Beschichtungsmaterial im Gasstrom trocknet. Es wird beispielsweise mit Hilfe eines Elektro-Staubfilters vom Rest getrennt. Das Suspensionsmittel kann über Kühlfallen vom Treibgas abgetrennt werden. Die abgetrennten Stoffe können vorteilhafterweise wieder dem Produktionskreislauf zugeführt werden.The high vapor pressures and the low boiling points of the suspending agent simplify the recycling of suspending agent and coating material. The overspray can simply be sucked off via a vent, with the coating material drying in the gas stream. For example, it is separated from the rest by means of an electrostatic dust filter. The suspending agent can be separated from the propellant gas via cold traps. The separated substances can advantageously be returned to the production cycle.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele erläutert:
Das Suspensionsmittel (Hexan, Heptan oder Mischungen daraus) wird in einem Behälter vorgelegt und mit einem platinhaltigen Beschichtungsmaterial versetzt. Damit das Beschichtungsmaterial aufgrund seiner hohen Dichte nicht sedimentiert, wird das Gemisch ständig unter kräftigem Rühren in Bewegung gehalten werden. Die Rührgeschwindigkeit beträgt 200 bis 1200 Umdrehungen/Minute. Die Mengenverhältnisse sind derart abgestimmt, dass eine dünnflüssige Suspension erhalten wird.The invention will be explained below with reference to some embodiments:
The suspending agent (hexane, heptane or mixtures thereof) is placed in a container and mixed with a platinum-containing coating material. So that the coating material does not sediment due to its high density, the mixture is constantly kept in agitation with vigorous stirring. The stirring speed is 200 to 1200 revolutions / minute. The proportions are adjusted so that a thin liquid suspension is obtained.

Die Suspension wird mit einer Airbrush-Pistole der Firma Revell auf ein GDL-Material aufgesprüht. Die Airbrush-Pistole wird mit einem Treibgas-Druck von 2,2 bis 2,5 bar betrieben, der Treibgas-Volumenstrom liegt im Bereich von etwa 8 bis 16 Liter/Minute. Der Verbrauch an Suspension beträgt bei diesem Betriebsdruck bei konstantem Sprühen etwa 100 bis 120 Milliliter Sprühsuspension/Minute. Als Treibgas wird Stickstoff verwendet. Die Platinbeladung der GDL wird über die Sprühdauer und die Konzentration der verwendeten Flüssigkeit eingestellt. Die Beschichtungen werden bei Raumtemperatur (circa 20°C) hergestellt. Beschichten (Besprühen) und Trocknung der auf das zu beschichtende GDL-Material aufgebrachten Schichten geschieht in einer Abzugsanlage.The suspension is sprayed onto a GDL material using an Revell airbrush gun. The airbrush gun is operated with a propellant gas pressure of 2.2 to 2.5 bar, the propellant gas flow rate is in the range of about 8 to 16 liters / minute. The consumption of suspension at this operating pressure with constant spraying about 100 to 120 milliliters spray suspension / minute. As propellant nitrogen is used. The platinum loading of the GDL is adjusted over the spraying time and the concentration of the liquid used. The coatings are made at room temperature (about 20 ° C). Coating (spraying) and drying of the layers applied to the GDL material to be coated is done in a fume hood.

Für eine schnell trocknende Sprühsuspension werden zur Herstellung der Suspension die folgenden Konzentrationen verwendet:

  • – 2 Gramm Beschichtungsmaterial PtRu 3:1 (Platin-Ruthenium im Atomverhältnis 3:1) auf 100 Milliliter Suspensionsmittel Hexan, oder
  • – 2 Gramm Beschichtungsmaterial PtNiCo 3:0,5:0,5 (Platin-Nickel-Cobalt im Atomverhältnis 3:0,5:0,5) auf 100 Milliliter Suspensionsmittel Hexan, oder
  • – 4 Gramm Beschichtungsmaterial PtRu 3:1 (Platin-Ruthenium im Atomverhältnis 3:1) auf 100 Milliliter Suspensionsmittel Hexan, oder
  • – 4 Gramm Beschichtungsmaterial PtNiCo 3:0,5:0,5 (Platin-Nickel-Cobalt im Atomverhältnis 3:0,5:0,5) auf 100 Milliliter Suspensionsmittel Hexan.
For a fast-drying spray suspension, the following concentrations are used to prepare the suspension:
  • - 2 grams of coating material PtRu 3: 1 (platinum-ruthenium atomic ratio 3: 1) to 100 milliliters of suspending agent hexane, or
  • - 2 grams of coating material PtNiCo 3: 0.5: 0.5 (platinum-nickel-cobalt atomic ratio 3: 0.5: 0.5) per 100 milliliters of suspending agent hexane, or
  • - 4 grams of coating material PtRu 3: 1 (platinum-ruthenium in atomic ratio 3: 1) per 100 milliliters of suspending agent hexane, or
  • - 4 grams of coating material PtNiCo 3: 0.5: 0.5 (platinum-nickel-cobalt in the atomic ratio 3: 0.5: 0.5) per 100 milliliters of suspending agent hexane.

Für diese schnell trocknende Sprühlösung betragen die Trocknungszeiten der aufgebrachten (aufgesprühten) Beschichtungen im Luftstrom der Abzugsanlage circa 1 bis 30 Sekunden. Bei dieser schnell trocknenden Sprühlösung trägt der Volumenstrom des Treibgases (z. B. Stickstoff) stark zur Trocknung der aufzubringenden Schichten bei, indem während der Flugphase der Sprühsuspension von der Sprühdüse der Airbrush-Pistole bis zum zu beschichtenden GDL-Material bereits eine wesentliche Vortrocknung (durch starke Verdunstung des Suspensionsmittels) stattfindet.For this fast-drying spray solution, the drying times of the applied (sprayed) coatings in the air stream of the exhaust system are about 1 to 30 seconds. In this fast-drying spray solution, the volume flow of the propellant gas (eg nitrogen) greatly contributes to the drying of the layers to be applied, during which a substantial predrying already takes place during the flight phase of the spray suspension from the spray nozzle of the airbrush gun to the GDL material to be coated. by strong evaporation of the suspending agent) takes place.

Für eine mittelschnell trocknende Sprühsuspension werden zur Herstellung der Suspension die folgenden Konzentrationen verwendet:

  • – 2 Gramm Beschichtungsmaterial PtRu 3:1 (Platin-Ruthenium im Atomverhältnis 3:1) auf 70 Milliliter Suspensionsmittel Hexan und 30 Milliliter Suspensionsmittel Heptan, oder
  • – 2 Gramm Beschichtungsmaterial PtNiCo 3:0,5:0,5 (Platin-Nickel-Cobalt im Atomverhältnis 3:0,5:0,5) auf 70 Milliliter Suspensionsmittel und 30 Milliliter Suspensionsmittel Heptan, oder
  • – 4 Gramm Beschichtungsmaterial PtRu 3:1 (Platin-Ruthenium im Atomverhältnis 3:1) auf 70 Milliliter Suspensionsmittel Hexan und 30 Milliliter Suspensionsmittel Heptan, oder
  • – 4 Gramm Beschichtungsmaterial PtNiCo 3:0,5:0,5 (Platin-Nickel-Cobalt im Atomverhältnis 3:0,5:0,5) auf 70 Milliliter Suspensionsmittel Hexan und 30 Milliliter Suspensionsmittel Heptan.
For a medium-speed drying spray suspension, the following concentrations are used to prepare the suspension:
  • - 2 grams of coating material PtRu 3: 1 (platinum-ruthenium in atomic ratio 3: 1) to 70 milliliters of suspending agent hexane and 30 milliliters of suspending agent heptane, or
  • - 2 grams of coating material PtNiCo 3: 0.5: 0.5 (platinum-nickel-cobalt atomic ratio 3: 0.5: 0.5) to 70 milliliters of suspending agent and 30 milliliters of suspending agent heptane, or
  • - 4 grams of coating material PtRu 3: 1 (platinum-ruthenium in atomic ratio 3: 1) to 70 milliliters of suspending agent hexane and 30 milliliters of suspending agent heptane, or
  • - 4 grams of coating material PtNiCo 3: 0.5: 0.5 (platinum-nickel-cobalt in atomic ratio 3: 0.5: 0.5) on 70 milliliters of suspending agent hexane and 30 milliliters of suspending agent heptane.

Für diese mittelschnell trocknende Sprühlösung betragen die Trocknungszeiten der aufgebrachten (aufgesprühten) Beschichtungen im Luftstrom der Abzugsanlage circa 20 bis 60 Sekunden. Bei dieser mittelschnell trocknenden Sprühlösung trägt der Volumenstrom des Treibgases (z. B. Stickstoff) in mittlerem Umfang zur Trocknung der aufzubringenden Schichten bei. For this medium-speed drying spray solution, the drying times of the applied (sprayed) coatings in the exhaust air stream are approximately 20 to 60 seconds. With this medium-speed drying spray solution, the volume flow of the propellant gas (eg nitrogen) contributes to an average extent to the drying of the layers to be applied.

Für eine durchschnittlich schnell trocknende Sprühsuspension werden zur Herstellung der Suspension die folgenden Konzentrationen verwendet:

  • – 2 Gramm Beschichtungsmaterial PtRu 3:1 (Platin-Ruthenium im Atomverhältnis 3:1) auf 50 Milliliter Suspensionsmittel Hexan und 50 Milliliter Suspensionsmittel Heptan, oder
  • – 2 Gramm Beschichtungsmaterial PtNiCo 3:0,5:0,5 (Platin-Nickel-Cobalt im Atomverhältnis 3:0,5:0,5) auf 50 Milliliter Suspensionsmittel Hexan und 50 Milliliter Suspensionsmittel Heptan, oder
  • – 4 Gramm Beschichtungsmaterial PtRu 3:1 (Platin-Ruthenium im Atomverhältnis 3:1) auf 50 Milliliter Suspensionsmittel Hexan und 50 Milliliter Suspensionsmittel Heptan, oder
  • – 4 Gramm Beschichtungsmaterial PtNiCo 3:0,5:0,5 (Platin-Nickel-Cobalt im Atomverhältnis 3:0,5:0,5) auf 50 Milliliter Suspensionsmittel Hexan und 50 Milliliter Suspensionsmittel Heptan.
For an average fast-drying spray suspension, the following concentrations are used to prepare the suspension:
  • - 2 grams of coating material PtRu 3: 1 (platinum-ruthenium atomic ratio 3: 1) to 50 milliliters of suspending agent hexane and 50 milliliters of suspending agent heptane, or
  • - 2 grams of coating material PtNiCo 3: 0.5: 0.5 (platinum-nickel-cobalt atomic ratio 3: 0.5: 0.5) to 50 milliliters of suspending agent hexane and 50 milliliters of suspending agent heptane, or
  • - 4 grams of coating material PtRu 3: 1 (platinum-ruthenium in atomic ratio 3: 1) to 50 milliliters of suspending agent hexane and 50 milliliters of suspending agent heptane, or
  • - 4 grams of coating material PtNiCo 3: 0.5: 0.5 (platinum-nickel-cobalt atomic ratio 3: 0.5: 0.5) to 50 milliliters of suspending agent hexane and 50 milliliters of suspending agent heptane.

Für diese durchschnittlich schnell trocknende Sprühlösung betragen die Trocknungszeiten der aufgebrachten (aufgesprühten) Beschichtungen im Luftstrom der Abzugsanlage circa 40 bis 120 Sekunden. Bei dieser durchschnittlich schnell trocknenden Sprühlösung trägt der Volumenstrom des Treibgases (z. B. Stickstoff) nur noch wenig zur Trocknung der aufzubringenden Schichten bei.For this average fast-drying spray solution, the drying times of the applied (sprayed) coatings in the exhaust air stream are approximately 40 to 120 seconds. With this average fast-drying spray solution, the volume flow of the propellant gas (eg nitrogen) only contributes little to the drying of the layers to be applied.

Für eine langsam trocknende Sprühsuspension werden zur Herstellung der Suspension die folgenden Konzentrationen verwendet:

  • – 2 Gramm Beschichtungsmaterial PtRu 3:1 (Platin-Ruthenium im Atomverhältnis 3:1) auf 100 Milliliter Suspensionsmittel Heptan, oder
  • – 2 Gramm Beschichtungsmaterial PtNiCo 3:0,5:0,5 (Platin-Nickel-Cobalt im Atomverhältnis 3:0,5:0,5) auf 100 Milliliter Suspensionsmittel Heptan, oder
  • – 4 Gramm Beschichtungsmaterial PtRu 3:1 (Platin-Ruthenium im Atomverhältnis 3:1) auf 100 Milliliter Suspensionsmittel Heptan, oder
  • – 4 Gramm Beschichtungsmaterial PtNiCo 3:0,5:0,5 (Platin-Nickel-Cobalt im Atomverhältnis 3:0,5:0,5) auf 100 Milliliter Suspensionsmittel Heptan.
For a slow-drying spray suspension, the following concentrations are used to prepare the suspension:
  • - 2 grams of coating material PtRu 3: 1 (platinum-ruthenium in the atomic ratio 3: 1) to 100 milliliters of suspending agent heptane, or
  • - 2 grams of coating material PtNiCo 3: 0.5: 0.5 (platinum-nickel-cobalt atomic ratio 3: 0.5: 0.5) to 100 milliliters of heptane, or
  • - 4 grams of coating material PtRu 3: 1 (platinum-ruthenium atomic ratio 3: 1) to 100 milliliters of heptane, or
  • - 4 grams of coating material PtNiCo 3: 0.5: 0.5 (platinum-nickel-cobalt atomic ratio 3: 0.5: 0.5) per 100 milliliters of heptane suspension medium.

Für diese langsam trocknende Sprühlösung betragen die Trocknungszeiten der aufgebrachten (aufgesprühten) Beschichtungen im Luftstrom der Abzugsanlage circa 100 bis 240 Sekunden. Bei dieser langsam trocknenden Sprühlösung trägt der Volumenstrom des Treibgases (z. B. Stickstoff) kaum noch zur Trocknung der aufzubringenden Schichten bei.For this slow-drying spray solution, the drying times of the applied (sprayed) coatings in the exhaust air stream are approximately 100 to 240 seconds. With this slowly drying spray solution, the volume flow of the propellant gas (eg nitrogen) scarcely contributes to the drying of the layers to be applied.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19544323 A1 [0007] DE 19544323 A1 [0007]

Claims (9)

Verfahren zur Beschichtung von Trägermaterial zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode einer PEM-Brennstoffzelle mit folgenden Schritten: a) Herstellen einer Suspension aus einem Beschichtungsmaterial und einem Suspensionsmittel, wobei das Suspensionsmittel aus der Gruppe der aliphatischen Kohlenwasserstoffe und deren Gemische ausgewählt wird sowie einen Siedepunkt zwischen 10 bis 100°C aufweist, b) Aufsprühen der Suspension auf das Trägermaterial, und c) gegebenenfalls Trocknen der aufgesprühten Schicht, wobei der Schritt b) gegebenenfalls in Verbindung mit Schritt a) und/oder c) ein- oder mehrmals wiederholt werden kann.Process for coating carrier material for producing a gas diffusion electrode of a PEM fuel cell, comprising the following steps: a) preparing a suspension of a coating material and a suspending agent, wherein the suspending agent is selected from the group of aliphatic hydrocarbons and mixtures thereof and has a boiling point between 10 to 100 ° C, b) spraying the suspension onto the carrier material, and c) optionally drying the sprayed layer, wherein step b) can optionally be repeated one or more times in conjunction with step a) and / or c). Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Trägermaterial eine Gasdiffusionslage oder eine Membran verwendet wird.A method according to claim 1, characterized in that a gas diffusion layer or a membrane is used as the carrier material. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtungsmaterial katalysatorhaltiges Beschichtungsmaterial verwendet wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that as a coating material catalyst-containing coating material is used. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtungsmaterial ein funktionelles Beschichtungsmaterial verwendet wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that a functional coating material is used as the coating material. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtungsmaterial katalysatorhaltiges Beschichtungsmaterial und funktionelles Beschichtungsmaterial gemischt verwendet wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that as a coating material catalyst-containing coating material and functional coating material is used mixed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Wiederholung der Schritte a) und b) unterschiedliches Beschichtungsmaterial verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that when repeated steps a) and b) different coating material is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederholung des Schrittes b) durch stoßweises Sprühen erfolgt.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the repetition of step b) takes place by intermittent spraying. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während des Aufsprühens des Beschichtungsmittels eine elektrostatische Aufladung erfolgt.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that during the spraying of the coating agent is an electrostatic charge. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Suspensionsmittel aus folgender Gruppe ausgewählt wird: n-Pentan, Methylbutan, Dimethylpropan, n-Hexan, 2-Methylpentan, 3-Methylpentan, 2,2-Dimethylbutan, 2,3-Dimethylbutan, Cyclohexan, n-Heptan, 2-Methylhexan, 3-Methyl-hexan, 2,2-Dimethylpentan, 2,3-Dimethylpentan, 2,4-Dimethylpentan, 3,3-Dimethylpentan, 3-Ethylpentan, 2,2,3-Trimethylbutan, Gemische daraus sowie Fraktionen der Petrolether.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the suspending agent is selected from the following group: n-pentane, methylbutane, dimethylpropane, n-hexane, 2-methylpentane, 3-methylpentane, 2,2-dimethylbutane, 2,3-dimethylbutane, cyclohexane, n-heptane, 2-methylhexane, 3-methyl-hexane, 2, 2-Dimethylpentane, 2,3-dimethylpentane, 2,4-dimethylpentane, 3,3-dimethylpentane, 3-ethylpentane, 2,2,3-trimethylbutane, mixtures thereof and fractions of petroleum ether.
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