DE19509748C2 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundes aus Elektrodenmaterial, Katalysatormaterial und einer Festelektrolytmembran - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundes aus Elektrodenmaterial, Katalysatormaterial und ei­ ner Festelektrolytmembran für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, bei welchem Festelektro­ lytmaterial durch Erweichen desselben in porentiefen Kontakt mit dem Elektrodenmaterial und dem Katalysatormaterial ge­ bracht wird.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE-PS 42 41 150 bekannt. Bei dem in dieser Druckschrift beschriebe­ nen Verfahren wird Festelektrolytmaterial einerseits in Lö­ sungsmittel gelöst aufgetragen und andererseits dann die gesamte Einheit aus Elektrodenmaterial, Katalysatormaterial und Festelektrolytmembran unter Erhitzen derselben heiß ver­ preßt.

Der Nachteil dieser bekannten Lösung ist darin zu sehen, daß das Heißverpressen der gesamten Einheit aus Elektrodenmate­ rial, Katalysatormaterial und Festelektrolytmembran eine starke mechanische und thermische Belastung der Materialien zur Folge hat und außerdem Aufheizzeiten erfordert, welche eine kostenaufwendige Prozeßführung notwendig machen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß dies mög­ lichst effektiv und kostengünstig durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschrie­ benen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Elektroden­ material, Katalysatormaterial und Festelektrolytmaterial umfassendes katalytisches Pulver hergestellt wird, daß das katalytische Pulver auf einer Fläche angeordnet wird, daß das katalytische Pulver auf einer der Fläche abgewandten Seite zum Erweichen des Festelektrolytmaterials aufgeheizt wird und daß anschließend das katalytische Pulver mit der der Fläche abgewandten Seite bei noch erweichtem Festelektrolytmaterial zur Bildung eines Verbundes unter Druck auf die Festelektro­ lytmembran aufgebracht und von der Fläche gelöst wird.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß einerseits die Aufbringung des katalytischen Pulvers auf der Fläche sehr einfach erfolgen kann und andererseits durch das gezielte Erweichen des in dem katalytischen Pulver ent­ haltenen Festelektrolytmaterials nur eine Aufheizung der an der Verbundbildung beteiligten Partikel möglich ist, so daß durch das Aufbringen des katalytischen Pulvers mit dem noch erweichten Festelektrolytmaterial auf die Festelektrolytmem­ bran unter Druck in einfacher Weise und gezielt die Bildung des Verbundes zwischen Elektrodenmaterial, Katalysatormate­ rial und Festelektrolytmembran unter Heranziehung des er­ weichten Festelektrolytmaterials des katalytischen Pulvers erfolgt.

Dies hat ferner noch den Vorteil, daß ein lediglich geringer Energieaufwand erforderlich ist, da nur eine gezielte lokale Aufheizung in dem Volumenbereich der Verbundbildung erfolgt, so daß ein schneller und somit effizienter und kostengün­ stiger Verfahrensablauf möglich ist.

Die Energie zum Aufheizen könnte rein theoretisch durch me­ chanischen oder thermischen Kontakt, also über Wärmeleitung oder Kontakt mit einem heißen Gas in das katalytische Pulver ganz oder teilweise eingebracht werden.

Weit vorteilhafter ist es jedoch, insbesondere um diese Ener­ gie möglichst schnell in das katalytische Pulver einzubrin­ gen, wenn das katalytische Pulver durch elektromagnetische Strahlung aufgeheizt wird.

Die elektromagnetische Strahlung kann unterschiedlichster Art und Weise sein. Beispielsweise wäre es denkbar, als Strah­ lungsquelle einen Laser einzusetzen.

Aus Gründen der Einfachheit ist es jedoch besonders vorteil­ haft, wenn die elektromagnetische Strahlung Infrarotstrah­ lung, insbesondere Wärmestrahlung eines erhitzten Körpers, ist.

Insbesondere dann, wenn es erforderlich ist, große Mengen er­ weichtes Festelektrolytmaterial zur Verfügung zu stellen oder wenn die Gefahr besteht, daß das Festelektrolytmaterial der katalytischen Schicht beim Auflegen auf die Festelektro­ lytmembran zu schnell erstarrt, ist es vorteilhaft, wenn auch das Festelektrolytmaterial der Festelektrolytmembran vor dem Aufbringen des katalytischen Pulvers erwärmt wird.

Ferner wäre es prinzipiell denkbar, noch zusätzlich in einem Lösungsmittel gelöstes Festelektrolytmaterial bei dem Verfah­ ren einzubringen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn das erfindungsgemäße Verfahren hinsichtlich der Zufuhr von Festelektrolytmaterial ausschließlich lösungsmittelfrei ge­ führt ist.

Grundsätzlich ist es denkbar, das katalytische Pulver über die gesamte Festelektrolytmembran verteilt auf diese aufzu­ tragen.

Vorzugsweise erfolgt jedoch ein flächenhafter Auftrag des ka­ talytischen Pulvers in einem Flächenbereich mit definierter Außenkontur, so daß das Verfahren mit möglichst geringem Auf­ wand an katalytischem Pulver durchführbar ist.

Noch vorteilhafter ist es, insbesondere da bei dem erfin­ dungsgemäßen Verbund freie und nicht von katalytischem Pulver bedeckte Randbereiche erwünscht sind, wenn ein Auftrag des katalytischen Pulvers auf die Festelektrolytmembran in einem Flächenbereich mit definierter, freie Randbereiche auf der Festelektrolytmembran lassender Außenkontur erfolgt, so daß insbesondere der Auftrag des katalytischen Pulvers lediglich in dem Bereich erfolgt, in dem die Bildung einer kataly­ tischen Schicht auf der Festelektrolytmembran erforderlich und erwünscht ist.

Ein derartig, hinsichtlich der Form definierter Auftrag des katalytischen Pulvers auf die Fläche ist in unterschiedlicher Art und Weise möglich. Beispielsweise wäre es möglich, die Fläche für das katalytische Pulver klebend auszugestalten, wobei dies den Nachteil hätte, daß stets ein Teil des kataly­ tischen Pulvers auf dieser Fläche haften bleibt.

Besonders vorteilhaft ist es daher, insbesondere um einen Herstellungsprozeß möglichst effizient führen zu können, wenn das katalytische Pulver durch elektrostatische Aufladung der Fläche auf dieser fixiert wird.

Eine besonders zweckmäßige Möglichkeit ist die analoge Anwen­ dung der üblichen bekannten Trockenkopierverfahren.

Um eine auf der Festelektrolytmembran aufliegende Elektrode zu schaffen hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn aus dem katalytischen Pulver durch mechanisches Verdich­ ten eine elektrisch leitfähige katalytische Schicht herge­ stellt wird, so daß die katalytische Schicht selbst die Elektrode bilden kann.

Vorzugsweise könnte die Bildung der Elektrode aus der kataly­ tischen Schicht auf der Festelektrolytmembran einerseits durch den beschriebenen Auftrag des katalytischen Pulvers und andererseits gegebenenfalls noch durch Zugabe von leitfähigem Material und/oder Bindemittel erfolgen.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Bildung der Elektrode aus der katalytischen Schicht auf der Festelektro­ lytmembran lediglich durch mechanisches Verpressen des kata­ lytischen Pulvers beim Auftrag desselben auf die Festelektrolytmembran erfolgt. Dies hat den großen Vorteil, daß dadurch eine einfache und kostengünstige Prozeßführung möglich wird.

Im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung ist es prinzipiell denkbar, in einem Zug eine einzige katalytische Schicht auf die Festelektrolytmembran auf zutragen. Besonders vorteilhaft im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahren ist es jedoch, wenn mehrere katalytische Schichten aufeinander auf die Festelek­ trolytmembran aufgetragen werden. Dieses Verfahren erlaubt insbesondere, die einzelnen katalytischen Schichten sehr dünn zu wählen und gezielt hinsichtlich ihrer Eigenschaften auszu­ bilden.

Insbesondere ist es im Rahmen dieser Lösung möglich, den Grad der Erweichung des Festelektrolytmaterials beim Aufbringen der einzelnen katalytischen Schichten zu variieren, so daß beispielsweise bei der unmittelbar auf der Festelektrolytmem­ bran aufliegenden katalytischen Schicht ein hoher Grad der Erweichung des Festelektrolytmaterials des katalytischen Pul­ vers gegeben ist, um einen möglichst innigen Verbund zwischen Festelektrolytmembran, Festelektrolytmaterial und den übrigen Bestandteilen des katalytischen Pulvers zu erreichen, während bei den nachfolgend aufeinanderliegenden katalytischen Schichten, beispielsweise der Grad der Erweichung des Festelektrolytmaterials abnimmt und somit beispielsweise die oberste katalytische Schicht mit der darunterliegenden katalytischen Schicht lediglich durch das mechanische Verpressen eine innige Verbindung eingeht.

Ein weiterer Vorteil des oben genannten Auftragens mehrerer katalytischer Schichten besteht darin, daß deren Zusammenhang variiert werden kann.

Um eine vorteilhafte Kontaktierung des hergestellten Verbun­ des zu ermöglichen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß auf die katalytische Schicht oder die katalytischen Schichten auf ih­ rer der Festelektrolytmembran abgewandten Seite eine Diffu­ sionsschicht aufgebracht wird.

Die Verbindung zwischen der Diffusionsschicht und der kataly­ tischen Schicht kann grundsätzlich auf beliebige Art und Weise erfolgen. Eine prozeßtechnisch besonders einfach durch­ zuführendes Verfahren sieht vor, daß die Diffusionsschicht ausschließlich durch mechanischen Druck mit der katalytischen Schicht verbunden wird.

Diese Diffusionsschicht ist vorzugsweise aus einem Material, welches eine Diffusion der Reaktionskomponenten zuläßt, vor­ zugsweise einem Material, welches eine leichte Diffusion gas­ förmiger Reaktionskomponenten zuläßt.

Bei einem einfachsten Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäßen Verfahrens ist vorgesehen, auf einer Seite der Fest­ elektrolytmembran den Verbund aus Elektrodenmaterial, Katalysatormaterial und Festelektrolytmembran herzustellen.

Noch vorteilhafter ist es jedoch, wenn beiderseits der Fest­ elektrolytmembran ein erfindungsgemäßer Verbund hergestellt wird, so daß dieser eine elektrochemische Einheit bildet und als solche in eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle eingesetzt werden kann und lediglich in dieser noch kontak­ tiert werden muß.

Beispielsweise ist es dabei denkbar, die beiderseitige Be­ schichtung der Festelektrolytmembran entweder gleichzeitig oder aufeinanderfolgend durchzuführen.

Im Rahmen der bisherigen Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden keine näheren Angaben darüber gemacht, wie das Elektrodenmaterial der katalytischen Schicht beschaffen sein soll.

Vorzugsweise ist das Elektrodenmaterial der katalytischen Schicht Kohlepulver mit einer Korngröße im Bereich zwischen 0,03 und 1 µm.

Das pulverförmige Katalysatormaterial ist vorzugsweise Pla­ tinpulver mit einer Korngröße zwischen 2 nm und 5 nm.

Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn das Katalysatormate­ rial auf dem pulverförmigen Elektrodenmaterial fixiert ist. Beispielsweise wird erfindungsgemäß platiniertes Kohlepulver eingesetzt.

Das verwendete Festelektrolytmaterial in dem katalytischen Pulver ist vorzugsweise mit dem Festelektrolytmaterial der Festelektrolytmembran identisch und liegt mit einer Korngröße zwischen 0,5 bis 2 µm vor. Ein Beispiel ei­ nes erfindungsgemäßen Festelektrolytmaterials ist Nafion.

Zusätzlich ist vorzugsweise vorgesehen, daß das katalytische Pulver noch ein hydrophobierendes Medium, beispielsweise PTFE (Polytetrafluorethylen), mit einer Korngröße von 0,2 bis 1 µm umfaßt, wobei PTFE aufgrund seiner Plastizi­ tät gleichzeitig auch als Bindemittel beim Herstellen der ka­ talytischen Schicht durch Verpressen wirkt.

Ferner ist es noch möglich, dem katalytischen Pulver zusätz­ lich noch einen Porenbildner, beispielsweise Zucker, zuzuge­ ben.

Eine besonders vorteilhafte Zusammensetzung des erfindungs­ gemäßen katalytischen Pulvers sieht beispielsweise einen An­ teil von ungefähr 50 Massen-% Kohlenstoff, ungefähr 5 Massen-% Platin, ungefähr 20 Massen-% PTFE und ungefähr 25 Massen-% Nafion (Nafion ist eine eingetragene Marke) vor.

Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einzelner Ausführungsbeispiele.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der beim erfin­ dungsgemäßen Verfahren eingesetzten Kopier­ trommeln im aufgeladenen Ausgangszustand;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Fest­ legung von mit katalytischem Pulver zu be­ schichtenden Flächenbereichen durch Teilentladung in Seitenansicht (Fig. 2a) und in Draufsicht (Fig. 2b);

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Auftra­ gens von katalytischem Pulver auf die gemäß Fig. 2 definierten Flächenbereiche in Seiten­ ansicht (Fig. 3a) und in Draufsicht (Fig. 3b);

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht des Auftra­ gens des katalytischen Pulvers auf eine Festelektrolytmembran;

Fig. 5 einen vergrößerten Ausschnitt eines Bereichs A in Fig. 4;

Fig. 6 eine vergrößerte Darstellung des unmittel­ baren Aufpressens des katalytischen Pulvers auf die Membran;

Fig. 7 eine vergrößerte Ausschnittsweise Darstellung eines Membranstücks mit einer darauf angeord­ neten katalytischen Schicht gemäß einem er­ sten Ausführungsbeispiel;

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Membran­ stücks mit mehreren katalytischen Schichten gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines erfin­ dungsgemäßen Verbundes aus Festelektrolytmem­ bran, katalytischer Schicht und mit dieser verbundener Gasdiffusionsschicht in Seitenan­ sicht;

Fig. 10 eine Draufsicht auf den Verbund gemäß Fig. 9 in Richtung des Pfeils B und

Fig. 11 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle mit einem erfindungsgemäßen Verbund aus Festelek­ trolytmembran, katalytischer Schicht und Gas­ diffusionsschicht.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden, wie in Fig. 1 bis 3 dargestellt, zwei Kopiertrommeln 10 und 12 auf ihrer Ober­ fläche 14 bzw. 16 elektrostatisch aufgeladen (Fig. 1) dann partiell, beispielsweise entsprechend der durch eine Scha­ blone vorgegebenen Form entladen, so daß hinsichtlich ihrer Form und Größe definierte Flächenbereiche 18 bzw. 20 auf den jeweiligen Oberflächen 14 bzw. 16 der Kopiertrommeln 10 bzw. 12 noch elektrisch aufgeladen sind.

Auf diesen elektrostatisch geladenen Flächenbereichen 18 bzw. 20 wird durch Zufuhreinrichtungen 21 bzw. 22 vorgelegtes ka­ talytisches Pulver entsprechend der in der Kopiertechnik ver­ wendeten Verfahren fixiert, so daß sich auf den Oberflächen 14 und 16 der Kopiertrommeln mit katalytischem Pulver be­ schichtete Flächen 23 bzw. 24 ergeben, die in Größe und Form den Flächenbereichen 18 und 20 entsprechen.

Das verwendete katalytische Pulver wird erfindungsgemäß in einer Vormischvorrichtung beispielsweise einer Messermühle vermischt, wobei das katalytische Pulver in erfindungsgemäßer Weise eine Mischung aus einem elektrisch leitfähigen Mate­ rial, zum Beispiel Kohle, einem auf der Kohle aufgetragenen Katalysator, zum Beispiel Platin, einem hydrophobierenden Medium, zum Beispiel PTFE, und einem Festelektrolytmaterial, zum Beispiel Nafion (Nafion ist eine eingetragene Marke) umfaßt. Gegebenenfalls kann noch ein Porenbildner, zum Beispiel Zucker, hinzugemischt werden.

Die Zusammensetzung des katalytischen Pulvers beträgt bei­ spielsweise ungefähr 50 Gewichtsprozent Kohle mit einer Par­ tikelgröße zwischen 0,03 und 1 µm, vorzugsweise ungefähr 30 nm, ungefähr 5 Gewichtsprozent Platin mit einer Partikelgröße zwischen 2 nm und 5 nm, vorzugsweise ungefähr 3 nm, wobei diese Partikel auf die Kohlepartikel beispielsweise durch ein naßchemisches Verfahren aufgetragen werden, ungefähr 20 Massen-% PTFE mit einer Partikelgröße zwischen 0,1 bis 1 µm, vorzugsweise ungefähr 0,5 µm und ungefähr 25 Massen-% Nafion mit einer Partikelgröße zwischen 0,5 und 2 µm, vorzugsweise ungefähr 1 µm.

Das in Fig. 3b dargestellte, auf den Flächen 23 und 24 aufge­ tragene katalytische Pulver wird nun, wie in Fig. 4 darge­ stellt, durch die beiden Kopiertrommeln 10 und 12 auf einander gegenüberliegenden Oberflächen 30 und 32 einer als Ganzes mit 34 bezeichneten Membran aus dem Festelektrolytma­ terial aufgetragen, wobei die Membran 34 zwischen den beiden Kopiertrommeln 10 und 12 hindurchgefördert wird und die Kopiertrommeln dabei auf den beiden diesen zugewandten Ober­ flächen 30 und 32 das auf den Flächen 23 und 24 haftende katalytische Pulver aufpressen.

Vor dem Aufpressen des katalytischen Pulvers auf die Oberflä­ chen 30 bzw. 32 wird dieses noch durch Infrarotstrahlung 40 abgebende Wärmequellen 36 bzw. 38, beispielsweise Hitze­ drähte, erhitzt, wobei, wie in Fig. 5 dargestellt, in dem katalytischen Pulver enthaltene Partikel 42 des Festelektro­ lytmaterials an- oder aufgeschmolzen werden, so daß nach deren Aufpressen auf die Oberflächen 30 bzw. 32 der Membran 34 eine innige Verbindung zwischen der ebenfalls aus dem Festelektrolytmaterial hergestellten Membran und den Fest­ elektrolytenpartikeln 42 entsteht und außerdem Zwischenräume zwischen den Partikeln 44 der Kohle sowie den Partikeln 46 des Platins und den Partikeln 48 des hydrophobierenden Materials durch erweichtes Festelektrolytmaterial zumindest in an die jeweilige Oberfläche 30 bzw. 32 der Membran 34 unmittelbar angrenzenden Bereichen ausgefüllt werden, so daß eine dreidimensionale Dreiphasengrenze zwischen dem Ionen transportierenden Festelektrolyt, dem Katalysator und dem Elektrodenmaterial mit vorteilhaften Eigenschaften entsteht.

Vorzugsweise werden die Festelektrolytpartikel 42 auf eine Temperatur aufgeheizt, welche deren Glaspunkttemperatur ent­ spricht. Diese liegt beim Beispiel des Nafions 117 (Nafion ist eine eingetragene Marke) als Festelektrolytmaterial bei ungefähr 135°C.

Durch Einstellung der Rotationsgeschwindigkeit der Kopier­ trommeln 10 und 12 und der Temperatur der Wärmequellen 36 und 38 läßt sich die Aufschmelztiefe des Katalysatormaterials 26 auf den Flächen 23 und 24, das heißt die Tiefe, in welcher ein An- oder Aufschmelzen der Partikel 42 aus Festelektrolyt­ material erfolgt, einstellen.

Ferner ist es je nach Ausbildung und Anordnung der Wärmequel­ len 36, 38 möglich auch die Festelektrolytmembran 34 vor dem Aufbringen des katalytischen Pulvers entweder zu erwärmen oder ebenfalls zu erweichen.

Vorzugsweise ist die Membran 34 beim Auftragen des katalyti­ schen Pulvers 26 auf deren Oberflächen 30 bzw. 32 in feuchtem Zustand, es ist aber auch möglich, die Membran 34 in trocke­ nem Zustand zuzuführen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei einem Durchlauf gemäß Fig. 1 bis 6 auf die Membran 34 eine aus dem katalyti­ schen Pulver durch den Druck der Kopiertrommeln 10 und 12 er­ zeugte elektrisch leitende katalytische Schicht 50 mit einer Dicke D im Bereich von 1 µm bis 4 µm aufgetragen, wie dies nochmals vergrößert in Fig. 7 dargestellt ist.

Durch mehrfaches Wiederholen eines in Fig. 1 bis 5 darge­ stellten Kopiervorgangs lassen sich, wie in Fig. 8 darge­ stellt, mehrere katalytische Schichten 50a, 50b aufeinander auftragen, wobei dieses Aufeinanderauftragen der katalyti­ schen Schichten 50, 50a, 50b die Möglichkeit eröffnet, in je­ der der katalytischen Schichten 50, 50a, 50b die Festelektrolytpartikel 42 in unterschiedlichem Maß an- oder aufzuschmelzen und/oder die Zusammensetzung der katalytischen Schicht zu variieren.

Beispielsweise wird in der unmittelbar auf der Oberfläche 30 liegenden katalytischen Schicht 50 ein An- oder Aufschmelzen der Festelektrolytpartikel 42 in höherem Maße vorgesehen als in den nachfolgenden katalytischen Schichten 50a und 50b. Vorzugsweise nimmt der Grad der Aufschmelzung der Festelek­ trolytpartikel 42 in den aufeinanderfolgenden katalytischen Schichten 50, 50a, 50b sukzessive ab.

Zur Herstellung eines einbaufertigen Verbundes aus einer aus der katalytischen Schicht oder den katalytischen Schichten gebildeten Elektrode und der Festelektrolytmembran 34 wird auf die aufgetragene katalytische Schicht 50 oder die oberste aufgetragene katalytische Schicht 50b noch eine Gasdiffusion zulassende Gasdiffusionsschicht 52 aufgetragen, welche in Größe und Form der katalytischen Schicht 50 oder 50b ent­ spricht und diese im wesentlichen vollständig übergreift. Beispielsweise ist die Gasdiffusionsschicht aus hydrophobier­ tem Kohlenstoffpapier oder Kohlenstoffaser, wobei durch Auf­ pressen derselben auf die oberste katalytische Schicht 50 oder 50b beispielsweise beim Durchlaufen einer Pressvorrich­ tung mit einem Walzenpaar, die Verbindung zwischen dem Mate­ rial der Gasdiffusionsschicht 52 und der obersten katalytischen Schicht 50 bzw. 50b lediglich durch den mecha­ nischen Druck hergestellt wird.

Damit ist, wie in Fig. 10 dargestellt, ein Verbund aus der Membran 34 und einer elektrisch leitenden Gasdiffusions­ schicht 52 sowie einer dazwischenliegenden und die Elektrode bildenden katalytischen Schicht 50 herstellbar, wobei sich die Membran 34 über die Elektrode 50 und die Gas­ diffusionsschicht 52 seitlich hinauserstreckt und freie Rand­ bereiche 54 rings um die Elektrodenschicht 52 herum aufweist, um in diesem Randbereich eine direkte Abdichtung auf den Oberflächen 30 bzw. 32 der Membran 34 zu ermöglichen.

Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle 60, dargestellt in Fig. 11, umfaßt die Membran 34 mit den beiderseits derselben auf­ getragenen katalytischen Schichten 50 und den diese übergrei­ fenden Gasdiffusionsschicht 52, wobei die Membran 34 im Bereich der freien Randbereiche 54 dichtend in einem Gehäuse 62 der Brennstoffzelle 60 gehalten ist und die elektrisch leitenden Gasdiffusionsschichten 52 auf ihren der Membran 34 abgewandten Seiten 64 durch Stromkollektoren 66, 68 kontak­ tiert sind, die jeweils auf den Gasdiffusionsschichten 52 aufliegen, wobei die Gasdiffusionsschichten 52 dem Anpreß­ druck der Stromkollektoren 66, 68 gleichmäßig auf die aus den katalytischen Schichten 50 gebildeten Elektroden verteilen. Ferner lassen die Gasdiffusionsschichten 52 die Diffusion von H₂ und O₂ zu den Elektroden 50 und zur Membran 34 zu.

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundes aus Elektro­ denmaterial, Katalysatormaterial und einer Festelektro­ lytmembran für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, bei welchem Fest­ elektrolytmaterial durch Erweichen desselben in poren­ tiefen Kontakt mit dem Elektrodenmaterial und dem Katalysatormaterial gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektrodenmaterial, Katalysatormaterial und Festelek­ trolytmaterial umfassendes katalytisches Pulver herge­ stellt wird, daß das katalytische Pulver auf einer Fläche angeordnet wird, daß das katalytische Pulver auf einer der Fläche abgewandten Seite zum Erweichen des Festelektrolytmaterials aufgeheizt wird und daß an­ schließend das katalytische Pulver mit der der Fläche abgewandten Seite bei noch erweichtem Festelektrolytma­ terial zur Bildung eines Verbundes unter Druck auf die Festelektrolytmembran aufgebracht und von der Fläche gelöst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytische Pulver durch elektromagnetische Strah­ lung aufgeheizt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als elektromagnetische Strahlung Infrarotstrahlung eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Festelektrolytmaterial der Festelektrolytmembran vor dem Aufbringen des kata­ lytischen Pulver erwärmt wird.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß dieses hinsichtlich der Zu­ fuhr von Festelektrolytmaterial ausschließlich lösungsmittelfrei geführt wird.

6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das katalyti­ sche Pulver auf die Festelektrolytmembran in einem Flächenbereich mit definierter Außenkontur aufgetragen wird.

7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das katalytische Pulver durch elektrostatische Aufladung der Fläche auf dieser fi­ xiert wird.

8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß aus dem katalytischen Pulver durch mechanisches Verdichten eine elektrisch leit­ fähige katalytische Schicht hergestellt wird.

9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die katalytische Schicht in einem Zug aus dem katalytischen Pulver auf die Fest­ elektrolytmembran aufgetragen wird.

10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß aus dem katalytischen Pulver mehrere katalytische Schichten aufeinander auf die Festelektrolytmembran aufgetragen werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Grad der Erweichung des Festelektrolytmaterials beim Aufbringen der einzelnen katalytischen Schichten variiert wird.

12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß auf die katalytische Schicht oder die katalytischen Schichten auf ihrer der Fest­ elektrolytmembran abgewandten Seite eine Diffusions­ schicht aufgebracht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsschicht ausschließlich durch mechanischen Druck mit der katalytischen Schicht verbunden wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Diffusionsschicht aus einem Material, welches eine leichte Diffusion der Elektrolysekomponenten zuläßt, ausgewählt wird.

15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Festelektrolytmembran beiderseits mit einem erfindungsgemäßen Verbund verse­ hen wird.