DE102021214489A1 - Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle (100) mit einer Membran-Elektroden-Anordnung (1) und einer Verteilerplatte (7, 8). Mittels einer Röntgenfluoreszenzanalyse wird eine fehlerhafte Membran-Elektroden-Anordnung (1) detektiert und daraufhin vor dem Verbinden mit der Verteilerplatte (7, 8) durch eine weitere Membran-Elektroden-Anordnung (1) ersetzt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle, bei welchem eine Röntgenfluoreszenzanalyse eingesetzt wird.
  • Stand der Technik
  • Brennstoffzellen sind elektrochemische bzw. galvanische Zellen, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandeln, bei der Elektrolyse läuft der elektrochemische Prozess in die andere Richtung. Wesentlicher Bestandteil von insbesondere PEM-Brennstoffzellen und PEM-Elektrolysezellen sind Membran-Elektroden-Anordnungen, welche eine Membran aufweisen, die beidseitig mit einer Elektrodenschicht beschichtet ist. Wie beispielsweise aus der DE 103 92 800 B4 bekannt, können sich die Katalysatorbeladungen der kathodenseitigen Elektrodenschicht und der anodenseitigen Elektrodenschicht unterscheiden; oft ist es sogar gewünscht, dass sie sich deutlich unterscheiden. Ein Vertauschen der Seiten der Membran-Elektroden-Anordnung oder ein falsches Beschichten können somit fatale Auswirkungen auf Leistung und Haltbarkeit der elektrochemischen Zelle haben.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Vertauschen oder ein falsches Beschichten der Membran-Elektroden-Anordnung zu vermeiden oder zu detektieren, so dass zumindest fehlerhafte Membran-Elektroden-Anordnungen von der weiteren Verarbeitung ausgeschlossen werden, insbesondere vor dem Stapeln zu einem Zellenstapel.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle, weist eine Membran-Elektroden-Anordnung und eine Verteilerplatte auf. Vor deren Zusammenbau wird mittels einer Röntgenfluoreszenzanalyse eine fehlerhafte Membran-Elektroden-Anordnung detektiert und daraufhin vor dem Verbinden mit der Verteilerplatte durch eine weitere Membran-Elektroden-Anordnung ersetzt.
  • Mittels der Röntgenfluoreszenzanalyse werden also fehlerhafte Membran-Elektroden-Anordnungen ermittelt und von weiteren Herstellungsschritten ausgeschlossen.
  • In vorteilhaften Ausführungen weist die elektrochemische Zelle einen Kathodenraum und einen Anodenraum auf. Die Membran-Elektroden-Anordnung umfasst eine flächige Membran, eine kathodenseitige Elektrodenschicht mit einer kathodenseitigen Katalysatorpaste und eine anodenseitige Elektrodenschicht mit einer anodenseitigen Katalysatorpaste. Die beiden Elektrodenschichten sind an entgegengesetzten Flächen der Membran angeordnet. Die Röntgenfluoreszenzanalyse detektiert bevorzugt also fehlerhafte Elektrodenschichten, besonders bevorzugt fehlerhafte Katalysatorpasten, sowohl auf der Kathoden- als auch auf der Anodenseite.
  • In bevorzugten Ausführungen unterscheiden sich die kathodenseitige Elektrodenschicht und die anodenseitige Elektrodenschicht, beispielsweise in ihrer Katalysatorbeladung. Es ist also wichtig, dass beim Zusammenbau der elektrochemischen Zelle auch wirklich die kathodenseitige Elektrodenschicht im Kathodenraum und die anodenseitige Elektrodenschicht im Anodenraum angeordnet wird. Demzufolge umfasst die Erfindung auch ein Verfahren bei dem die Kathoden- und/oder Anodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung mittels Röntgenfluoreszenzanalyse ermittelt und die Membran-Elektroden-Anordnung gegebenenfalls entsprechend ausgerichtet bzw. orientiert wird.
  • In bevorzugten Weiterbildungen der Verfahren wird mit der Röntgenfluoreszenzanalyse eine Katalysatorpaste der kathodenseitigen Elektrodenschicht und/oder der anodenseitigen Elektrodenschicht untersucht. Besonders bevorzugt weist die Katalysatorpaste Platin als Katalysatormaterial auf. Hierbei weist die Röntgenfluoreszenzanalyse vorteilhafterweise folgenden Schritt auf: es erfolgt eine Anregung der Pt-M-Linie mit ca. 20 kV. Dadurch werden vor allem Elektronen auf der M-Schale der Platinatome herausgeschossen und es kann die charakteristische fluoreszierende M-Alpha Strahlung gemessen werden.
  • Eine analoge Vorgehensweise gibt es jedoch auch für andere Katalysatormaterialien, beispielsweise für Iridium.
  • Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
  • Es zeigen jeweils schematisch:
    • 1 einen Schnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannt Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
    • 2 Vertikalschnitt einer Membran-Elektroden-Anordnung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
    • 3 schematisch ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung.
    • 4 schematisch eine Prozesskette zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle.
  • 1 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Zelle 100 in Form einer Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Brennstoffzelle 100 weist eine Membran 2 auf, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Membran. Zu einer Seite der Membran 2 ist ein Kathodenraum 100a, zu der anderen Seite ein Anodenraum 100b ausgebildet.
  • Im Kathodenraum 100a sind von der Membran 2 nach außen weisend - also in Normalenrichtung bzw. Stapelrichtung z - eine Elektrodenschicht 3, eine Diffusionslage 5 und eine Verteilerplatte 7 angeordnet. Analog sind im Anodenraum 100b von der Membran 2 nach außen weisend eine Elektrodenschicht 4, eine Diffusionslage 6 und eine Verteilerplatte 8 angeordnet. Die Membran 2 und die beiden Elektrodenschichten 3, 4 bilden eine Membran-Elektroden-Anordnung 1. Weiterhin sind auch noch die beiden Diffusionslagen 5, 6 Bestandteil der Membran-Elektroden-Anordnung 1.
  • Die Verteilerplatten 7, 8 weisen Kanäle 11 für die Gaszufuhr - beispielsweise Luft im Kathodenraum 100a und Wasserstoff im Anodenraum 100b -zu den Diffusionslagen 5, 6 auf. Die Diffusionslagen 5, 6 bestehen typischerweise kanalseitig - also zu den Verteilerplatten 7, 8 hin - aus einem Kohlefaserflies und elektrodenseitig - also zu den Elektrodenschichten 3, 4 hin - aus einer mikroporösen Partikelschicht.
  • Die Verteilerplatten 7, 8 weisen die Kanäle 11 und somit implizit auch an die Kanäle 11 angrenzende Rippen 12 auf. Die Unterseiten dieser Rippen 12 bilden demzufolge eine Kontaktfläche 13 der jeweiligen Verteilerplatte 7, 8 zu der darunterliegenden Diffusionslage 5, 6.
  • Üblicherweise unterscheiden sich kathodenseitige Verteilerplatte 7 und anodenseitige Verteilerplatte 8 voneinander; vorteilhafterweise sind die kathodenseitige Verteilerplatte 7 einer elektrochemischen Zelle 100 und die anodenseitige Verteilerplatte 8 der dazu benachbarten elektrochemischen Zelle fest verbunden, beispielsweise durch Schweißverbindungen, und damit zu einer Bipolarplatte zusammengefasst.
  • Weiterhin unterscheiden sich üblicherweise auch die kathodenseitige Elektrodenschicht 3 und die anodenseitige Elektrodenschicht 4 voneinander, beispielsweise in der Menge der eingebetteten Katalysatorpartikel.
  • Eine als Elektrolysezelle ausgeführte elektrochemische Zelle kann einen analogen Aufbau aufweisen.
  • 2 zeigt in einem Vertikalschnitt die Membran-Elektroden-Anordnung 1 einer elektrochemischen Zelle 100, insbesondere einer Brennstoffzelle, in einem Randbereich, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 weist die flächige Membran 2, beispielhaft eine Polymerelektrolytmembran (PEM), und die zwei porösen Elektrodenschichten 3 bzw. 4 mit jeweils einer Katalysatorschicht bzw. einer Katalysatorpaste 31, 41 auf, wobei die Elektrodenschichten 3 bzw. 4 mit ihren Katalysatorpasten 31, 41 jeweils an einer Seite bzw. Fläche der Membran 2 angeordnet sind. Weiter weist die elektrochemische Zelle 100 die beiden Diffusionslagen 5 bzw. 6 auf, welche je nach Ausführung auch zur Membran-Elektroden-Anordnung 1 gehören können.
  • Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 ist an ihrem Umfang von der Rahmenstruktur 16 umgeben, hier spricht man auch von einem Subgasket. Die Rahmenstruktur 16 dient der Steifigkeit und der Dichtheit der Membran-Elektroden-Anordnung 1 und ist ein nicht-aktiver Bereich der elektrochemischen Zelle 100.
  • Die Rahmenstruktur 16 ist im Schnitt insbesondere U-förmig bzw. Y-förmig ausgebildet, wobei ein erster Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts durch eine Folie 161 aus einem ersten Werkstoff W1 gebildet ist und ein zweiter Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts durch eine weitere Folie 162 aus einem zweiten Werkstoff W2 gebildet ist. Zusätzlich sind die Folie 161 und die weitere Folie 162 mittels eines Klebemittels 163 aus einem dritten Werkstoff W3 zusammengeklebt. Häufig sind der erste Werkstoff W1 und der zweite Werkstoff W2 identisch und aus thermoplastischem Polymer, beispielsweise aus PEN (Polyethylennaphthalat) ausgeführt.
  • Die beiden Diffusionslagen 5 bzw. 6 überlappen in einem Randbereich die Rahmenstruktur 16. In diesem Überlappbereich 22 sind die Elektrodenschichten 3, 4 von der Rahmenstruktur 16 bedeckt, es handelt sich hier um einen nicht-aktiven Bereich der elektrochemischen Zelle 100. Alternativ kann die Rahmenstruktur 16 auch die beiden Diffusionslagen 5, 6 mit umgreifen.
  • In einem aktiven Bereich 21 sind die Diffusionslagen 5, 6 mit je einer Elektrodenschicht 3, 4 in Kontakt, so dass hier die für die elektrochemische Zelle 100 charakteristische elektrochemische Reaktion ablaufen kann. Die Elektrodenschichten 3, 4 weisen je eine Katalysatorpaste 31, 41 auf, in welcher Katalysatoren, üblicherweise Katalysatorpartikel, eingebettet sind. Die Katalysatorpaste 31, 41 ist üblicherweise ein sehr teurer Bestandteil der elektrochemischen Zelle 100, da sie beispielsweise Platin oder Iridium als Katalysatorpartikel aufweist.
  • Im nicht-aktiven Überlappbereich 22 gelangen keine Reaktionsfluide an die in die Elektrodenschichten 3, 4 bzw. Katalysatorpasten 31, 41 eingebetteten Katalysatoren; somit finden im Überlappbereich 22 keine chemischen Reaktionen statt, die Stromdichte der elektrochemischen Zelle 100 fällt hier also relativ zur aktiven Fläche 21 sehr stark ab bzw. ist sogar Null, selbst wenn hier die teure Katalysatorpaste 31, 41 vorhanden ist.
  • Weiterhin gibt es einen Verklebebereich 23, in welchem die beiden Folien 161, 162 mittels des Klebemittels 163 direkt miteinander verbunden sind. Hierbei kommen bevorzugt mit Klebemittel 163 vorbeschichtete Folien 161, 162 zum Einsatz. Dieser Verbund ist „klebrig“, d.h. die Folien 161, 162 sind nach erstem Kontakt miteinander zueinander fixiert, ein Nachpositionieren bzw. Verschieben ist nicht mehr möglich.
  • Besteht die Membran-Elektroden-Anordnung 1 aus der Membran 2 und den beiden Elektrodenschichten 3, 4, so spricht man üblicherweise von einer 3-lagigen Membran-Elektroden-Anordnung 1. Kommt dazu noch die Rahmenstruktur 16 mit den beiden Folien 161, 162, so spricht man üblicherweise von einer 5-lagigen Membran-Elektroden-Anordnung 1. Kommen weiterhin noch die beiden Diffusionslagen 5, 6 hinzu, so spricht man üblicherweise von einer 7-lagigen Membran-Elektroden-Anordnung 1.
  • Üblicherweise unterscheiden sich die kathodenseitige Katalysatorpaste 31 und die anodenseitige Katalysatorpaste 41 voneinander. Die kathodenseitige Elektrodenschicht 3 kann sich von der anodenseitigen Elektrodenschicht 4 jedoch auch in anderen bzw. weiteren Merkmalen als den Katalysatorpasten unterscheiden, beispielsweise in der Schichtdicke. Somit ist es wichtig, dass die Membran-Elektroden-Anordnung 1 beim Stapeln einer oder mehrerer elektrochemischer Zellen 100 bezüglich der Stapelrichtung z korrekt orientiert ist, ein Vertauschen der beiden Elektrodenschichten 3, 4 muss unbedingt vermieden werden.
  • Visuell kann jedoch nach der Fertigung der Membran-Elektroden-Anordnung nicht mehr festgestellt werden, auf welcher Seite sich Anode und Kathode befinden; dies ist jedoch für die spätere elektrochemische Reaktion entscheidend.
  • Im vorliegenden Fall unterscheiden sich die kathodenseitige Katalysatorpaste 31 und die anodenseitige Katalysatorpaste 41 voneinander. Bei der Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung 1 können diesbezüglich somit verschiedene mögliche Fehler in der Fertigung auftreten:
    • • Zwei kathodenseitige Katalysatorpasten 31 wurden auf die Membran 2 beschichtet.
    • • Zwei anodenseitige Katalysatorpasten 41 wurden auf die Membran 2 beschichtet.
    • • Es fehlt eine der beiden Katalysatorpasten 31, 41.
    • • Die kathodenseitige Katalysatorpaste 31 wurde mit der anodenseitigen Katalysatorpaste 41 vertauscht (bzw. die Membran-Elektroden-Anordnung 1 wird für nachfolgende Fertigungsschritte falsch orientiert).
  • Erfindungsgemäß wird diesen potenziellen Fehlern nun durch eine Katalysatordetektion mittels Röntgenfluoreszenzanalyse entgegengewirkt. Dies ist eine zerstörungsfreie Möglichkeit die Anodenseite bzw. die Kathodenseite einer Membran-Elektroden-Anordnung 1 zu identifizieren.
  • Dadurch können gegebenenfalls fehlerhafte Membran-Elektroden-Anordnungen 1 entweder für den weiteren Zusammenbau richtig orientiert werden oder vor der weiteren Montage zu einer elektrochemischen Zelle 100 aussortiert werden. Insbesondere kann dadurch vermieden werden, dass in einem Zellenstapel aus mehreren elektrochemischen Zellen 100 - üblicherweise hunderten von Zellen - ein oder mehrere fehlerhafte Membran-Elektroden-Anordnungen 1 verbaut sind und dadurch im schlimmsten Fall sogar der gesamte Zellenstapel unbrauchbar wird.
  • Mit der Röntgenfluoreszenzanalyse können Edelmetalle besonders gut detektiert werden. Die Methode eignet sich daher sehr gut für die Detektion von beispielsweise Platin in den Katalysatorpasten 31, 41 von Brennstoffzellen oder Iridium in den Katalysatorpasten 31, 41 von Elektrolysezellen. Mit der Röntgenfluoreszenzanalyse können auch Katalysatorpasten 31, 41 mit einer Schichtdicke ≤23µm detektiert werden.
  • Aufgrund der Aufgabenstellung, die kathodenseitige Elektrodenschicht 3 und die anodenseitige Elektrodenschicht 4 getrennt auf den Katalysatorgehalt - beispielsweise Platingehalt - zu testen, können die höher energetischen Emissionslinien auf die L-Schalen - also beispielsweise Pt,Lα und Pt,Lβ - nicht verwendet werden, da die Absorption der Membran 2 nicht ausreichend ist, um die charakteristische Röntgenstrahlung der Katalysatoratome von der jeweiligen Rückseite zu unterdrücken. Die Energien der Übergänge auf die M Schalen - also beispielsweise Pt,Mα und Pt,Mβ - sind jedoch so niedrig, dass die Membran 2 die Strahlung der jeweiligen Rückseite zum größten Teil absorbiert. So kann also beispielsweis mit entsprechender Kalibrierung der Anlage zur Röntgenfluoreszenzanalyse im Aktivbereich einer 3-, 5- oder 7-lagigen Membran-Elektroden-Anordnung 1 die entsprechende Platinbeladung der jeweiligen Elektrodenschicht 3, 4 bestimmt werden.
  • 3 zeigt schematisch ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung 1 mit anschließender Kontrolle mittels Röntgenfluoreszenzanalyse. Die beiden Elektrodenschichten 3, 4 werden jeweils auf Decal-Folien aufgebracht, beidseitig der Membran 2 zur Verfügung gestellt und auf diese aufgebracht; dadurch entsteht eine 3-lagige Membran-Elektroden-Anordnung 1. Mit einer Analyseanlage 50 kann nun mittels der Röntgenfluoreszenzanalyse sowohl qualitativ als auch quantitativ etwaiger Ausschuss bestimmt werden; dies kann, wie oben schon beschrieben, beispielsweise eine fehlende Katalysatorbeladung, eine fehlerhafte Katalysatorbeladung oder eine vertauschte Katalysatorbeladung sein. Diese Überprüfung erfolgt vorteilhafterweise vor dem Zusammenbau 51, 52 der 3-lagigen Membran-Elektroden-Anordnung 1 mit der Rahmenstruktur 16 und den beiden Diffusionslagen 5, 6 zu einer 7-lagigen Membran-Elektroden-Anordnung.
  • Bei fehlender oder fehlerbehafteter Katalysatorbeladung erfolgt ein Ausschuss oder eine Nacharbeit der betroffenen Membran-Elektroden-Anordnung 1. Bei einer vertauschten Katalysatorbeladung kann gegebenenfalls auch ein Wenden der Membran-Elektroden-Anordnung 1 für nachfolgende Verarbeitungsprozesse erfolgen.
  • 4 zeigt schematisch eine Prozesskette zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle 100, in welcher eine Überprüfung der Membran-Elektroden-Anordnung 1 durch eine Analyseanlage 50 erfolgt. Zur Herstellung der elektrochemischen Zelle 100 werden dabei verschiedene Fertigungsstationen durchlaufen:
    • • 49: Aufbau der 3-lagigen Membran-Elektroden-Anordnung 1, bestehend aus Membran 2, kathodenseitiger Elektrodenschicht 3 (incl. kathodenseitiger Katalysatorpaste 31) und anodenseitiger Elektrodenschicht 4 (incl. anodenseitiger Katalysatorpaste 41)
    • • 51: Aufbau der 5-lagigen Membran-Elektroden-Anordnung 1, bestehend aus Membran 2, kathodenseitiger Elektrodenschicht 3, anodenseitiger Elektrodenschicht 4 und Rahmenstruktur 16
    • • 52: Aufbau der 7-lagigen Membran-Elektroden-Anordnung 1, bestehend aus Membran 2, kathodenseitiger Elektrodenschicht 3, anodenseitiger Elektrodenschicht 4, Rahmenstruktur 16, kathodenseitiger Diffusionslage 5 und anodenseitiger Diffusionslage 6
    • • 53: Aufbau der elektrochemischen Zelle 1, bestehend aus Membran-Elektroden-Anordnung 1, kathodenseitiger Verteilerplatte 7 und anodenseitiger Verteilerplatte 8.
  • Die Fertigungsschritte 51 und 52 sind optional, die erfindungsgemäßen Verfahren sind sowohl für 3-lagige Membran-Elektroden-Anordnungen 1 als auch für 5- und 7-lagige einsetzbar. Der Zusammenbau zu einer elektrochemischen Zelle 1 kann auch mit nur einer Verteilerplatte 7, 8 erfolgen; hierbei entsteht dann genau genommen keine funktionsfähige elektrochemische Einzelzelle, sondern eine elektrochemische Zelle 1 als Wiederholeinheit für einen Stapelprozess zur Herstellung eines Zellstapels; die Funktionsfähigkeit der einzelnen elektrochemischen Zellen 1 ergibt sich dann erst durch das Zusammenwirken mit der Verteilerplatte 7, 8 der benachbarten Wiederholeinheit.
  • In der dargestellten Prozesskette kann der Einsatz der Analyseanlage 50 an unterschiedlichen Stellen Sinn machen, insbesondere wenn die Prozesskette durch einen fehleranfälligen Transportschritt unterbrochen ist. Beispielhaft wird in der Ausführung der 4 die Röntgenfluoreszenzanalyse an drei Stellen eingesetzt, um fehlerhafte Membran-Elektroden-Anordnungen 1 zu ersetzen bzw. falsch positionierte Membran-Elektroden-Anordnungen 1 zu wenden. Die dazugehörigen Korrekturschritte 50a können also einen Austausch der Membran-Elektroden-Anordnung 1 bedeuten oder auch nur ein einfaches Wenden der Membran-Elektroden-Anordnung 1 um 180°, so dass danach die kathodenseitige Elektrodenschicht 3 korrekt im Kathodenraum 100a der elektrochemischen Zelle 100 angeordnet ist, und die anodenseitige Elektrodenschicht 4 im Anodenraum 100b.
  • Durch den Aufbau der Analyseanlage 50 ist es möglich über die charakteristischen Linien gezielt bestimmte Linienserien bestimmter Elemente in der Probe besonders stark anzuregen, z.B. die Elektronen auf der L- oder M-Schale eines Platin-Atoms. Die Anregung erfolgt dabei mit Photonen, im allgemeinen mit Röntgenquanten, die sogenannte Sekundäranregung oder Fluoreszenzanregung. Für jeden der Anregungsmechanismen ergeben sich unterschiedliche Anregungswahrscheinlichkeiten, die selbst wiederum von unterschiedlichen Parametern abhängen. Die maximale Spannung der Röntgenröhren von Routine-Geräten reicht im Allgemeinen nicht zur Anregung der Linien der K-Serie aller Elemente des Periodensystems aus; bei einer maximalen Röhrenspannung von z. B. 55 kV können K-Spektren nur von Elementen mit Z ≤ 66 (Dysprosium) angeregt werden). Mit der Anregung von ca. 20 kV für die Pt-M-Linie wird erreicht, dass bei der Messung nicht die jeweils andere Elektrodenschicht mitbestimmt wird. Dies ist sichergestellt, da die Platin M-Alpha Strahlung zur Schichtdicken- bzw. Flächenladungsdichtenbestimmung genutzt wird.
  • Das Diagramm in 5 zeigt eine typische Fluoreszenz, welche durch Anregung der Platin M-Schale entsteht. Auf der x-Achse ist die Energie der emittierten Strahlung aufgetragen, auf der y-Achse die Anzahl der emittierten Photonen. Das Maximum 60 ist charakteristisch für die Platin M-Alpha Strahlung: die Anregung durch die Röntgenquanten hat ein Elektron auf der Platin M-Schale herausgeschossen, ein Elektron auf der N-Schale springt somit auf die N-Schale und sendet dadurch ein Photon mit der charakteristischen Energie ~2,05keV aus. Aufgrund dieser charakteristischen Energie kann das Element Platin detektiert werden; die Anzahl der Photonen, also die Höhe des Maximums 60, ist dann ein Wert zur quantitativen Bestimmung, also zur Platinbeladung der entsprechenden Katalysatorpaste 31, 41. Das Diagramm in 5 ist kein Liniendiagramm, wie es im Idealfall theoretisch zu erwarten wäre, da es mit einer Vielzahl von Unschärfen und Überlagerungen versehen ist.
  • Die Intensitäten der Spektrallinien im Röntgenspektrum einer Probe hängen also grundsätzlich von den Konzentrationen der Analyten in der Probe ab, in dem konkreten Fall oben also von der Platinbeladung der Elektrodenschicht 3, 4. Die Intensitäten können daher im Prinzip für eine quantitative Analyse genutzt werden. Der Zusammenhang zwischen Intensität und Konzentration bzw. Beladung wird jedoch von einer Reihe von Größen beeinflusst, wie beispielsweise:
    • - von den Anregungsbedingungen für die Spektrallinien,
    • - von Wechselwirkungen zwischen der Röntgenstrahlung und dem Probenmaterial,
    • - von der Art und von der Konzentration der Begleitelemente in der Probe,
    • - von apparativen Gegebenheiten,
    • - vom Zustand der Probe (Homogenität, Korngröße, Oberflächenrauheit.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10392800 B4 [0002]

Claims (6)

  1. Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle (100) mit einem Kathodenraum (100a) und einem Anodenraum (100b), wobei die elektrochemische Zelle (100) eine Membran-Elektroden-Anordnung (1) aufweist, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung (1) eine flächige Membran (2), eine kathodenseitige Elektrodenschicht (3) mit einer kathodenseitigen Katalysatorpaste (31) und eine anodenseitige Elektrodenschicht (4) mit einer anodenseitigen Katalysatorpaste (41) umfasst, wobei die beiden Elektrodenschichten (3, 4) an entgegengesetzten Flächen der Membran (2) angeordnet sind, wobei sich die beiden Elektrodenschichten (3, 4) unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass die Seite der kathodenseitigen Elektrodenschicht (3) und/oder der anodenseitigen Elektrodenschicht (4) innerhalb der Membran-Elektroden-Anordnung (1) mittels einer Röntgenfluoreszenzanalyse ermittelt wird und damit die Membran-Elektroden-Anordnung (1) so ausgerichtet wird, dass die kathodenseitige Elektrodenschicht (3) im Kathodenraum (100a) und die anodenseitige Elektrodenschicht (4) im Anodenraum (100b) angeordnet wird.
  2. Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle (100) mit einer Membran-Elektroden-Anordnung (1) und einer Verteilerplatte (7, 8), dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Röntgenfluoreszenzanalyse eine fehlerhafte Membran-Elektroden-Anordnung (1) detektiert wird und daraufhin vor dem Verbinden mit der Verteilerplatte (7, 8) durch eine weitere Membran-Elektroden-Anordnung (1) ersetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (100) einen Kathodenraum (100a) und einen Anodenraum (100b) aufweist, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung (1) eine flächige Membran (2), eine kathodenseitige Elektrodenschicht (3) mit einer kathodenseitigen Katalysatorpaste (31) und eine anodenseitige Elektrodenschicht (4) mit einer anodenseitigen Katalysatorpaste (41) umfasst, wobei die beiden Elektrodenschichten (3, 4) an entgegengesetzten Flächen der Membran (2) angeordnet sind, wobei sich die beiden Elektrodenschichten (3, 4) unterscheiden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass Mittels der Röntgenfluoreszenzanalyse zumindest eine der beiden Katalysatorpasten (31, 41) untersucht wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine der beiden Katalysatorpasten (31, 41) Platin als Katalysatormaterial enthält.
  6. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenfluoreszenzanalyse folgenden Schritt umfasst: - Anregung der Pt-M-Linie mit ca. 20 kV.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10392800B4 (de) 2002-06-13 2009-06-25 General Motors Corp. (N.D.Ges.D. Staates Delaware), Detroit Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung einer PEM- oder einer SPE-Brennstoffzelle
JP2010169528A (ja) 2009-01-22 2010-08-05 Japan Gore Tex Inc 蛍光x線分析(xrf)を用いた積層体の表裏を判別する方法
DE102012222049A1 (de) 2011-12-06 2013-06-06 GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) Verbesserte Elektrode mit verringerter Schwundrissbildung durch Ionomere mit gemischtem Äquivalentgewicht
DE102015014433A1 (de) 2014-11-07 2016-05-12 Daimler Ag Katalysatorschicht mit Durchtrittsöffnung für Brennstoffzellen
DE102020124217A1 (de) 2020-09-17 2022-03-17 Audi Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung einer katalysatorbeschichteten Membran

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10392800B4 (de) 2002-06-13 2009-06-25 General Motors Corp. (N.D.Ges.D. Staates Delaware), Detroit Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung einer PEM- oder einer SPE-Brennstoffzelle
JP2010169528A (ja) 2009-01-22 2010-08-05 Japan Gore Tex Inc 蛍光x線分析(xrf)を用いた積層体の表裏を判別する方法
DE102012222049A1 (de) 2011-12-06 2013-06-06 GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) Verbesserte Elektrode mit verringerter Schwundrissbildung durch Ionomere mit gemischtem Äquivalentgewicht
DE102015014433A1 (de) 2014-11-07 2016-05-12 Daimler Ag Katalysatorschicht mit Durchtrittsöffnung für Brennstoffzellen
DE102020124217A1 (de) 2020-09-17 2022-03-17 Audi Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung einer katalysatorbeschichteten Membran

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