DE19509749A1 - 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 aus dem katalytischen Pulver eine katalytische Schicht auf einen Träger hergestellt wird, daß die katalytische Schicht auf ei­ ner dem Träger abgewandten Seite zum Erweichen des Festelek­ trolytmaterials aufgeheizt wird und daß anschließend die katalytische Schicht mit dem Träger abgewandten Seite bei noch erweichtem Festelektrolytmaterial zur Bildung eines Ver­ bundes unter Druck auf die Festelektrolytmembran aufgebracht wird.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß einerseits die Herstellung der in der elektrochemischen Zelle als Elektrode dienenden katalytischen Schicht aus kata­ lytischem Pulver sehr einfach erfolgen kann und andererseits diese durch das gezielte Erweichen des in die katalytische Schicht eingebauten Festelektrolytmaterials nur in dem Volu­ menbereich aufgeheizt wird, in dem die Bildung des Verbundes erwünscht ist, so daß durch das Aufbringen der katalytischen Schicht mit dem noch erweichten Festelektrolytmaterial auf die Festelektrolytmembran unter Druck in einfacher Weise und gezielt an der gewünschten Stelle die Bildung des Verbundes zwischen Elektrodenmaterial, Katalysatormaterial und Fest­ elektrolytmembran unter Heranziehung des Festelektrolytmate­ rials des katalytischen Pulvers erfolgt. Ferner kann durch die effiziente Aufheizung der katalytischen Schicht lediglich in dem Bereich, in dem die Bildung des Verbundes erwünscht ist, das erfindungsgemäße Verfahren mit geringem Energieauf­ wand betrieben werden und insbesondere aufgrund der lokal ge­ zielten Einwirkung der Energie diese Energie rasch genug aufgebracht werden, so daß ein schneller und somit effizien­ ter und kostengünstiger Verfahrensablauf möglich ist.

Die Energie könnte rein theoretisch auch durch mechanischen oder thermischen Kontakt, also Wärmeleitung oder Kontakt mit einem heißen Gas in die katalytische Schicht ganz oder teil­ weise eingebracht werden.

Insbesondere um diese Energie möglichst schnell und zielge­ richtet in die katalytische Schicht einzubringen, ist es vor­ teilhafter, wenn die katalytische Schicht durch elektromagnetische Strahlung aufgeheizt wird.

Diese elektromagnetische Strahlung kann unterschiedlichster Art und Weise sein. Beispielsweise wäre es denkbar, als Strahlungsquelle einen Laser einzusetzen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die elektromagnetische Strahlung Infrarotstrahlung, insbesondere Wärmestrahlung ei­ nes erhitzten Körpers ist.

Rein theoretisch wäre es denkbar, das Festelektrolytmaterial auch in die katalytische Schicht mittels eines Lösungsmittels einzubringen, und beispielsweise dadurch auch die katalyti­ sche Schicht zu stabilisieren.

Weit vorteilhafter ist es jedoch, insbesondere um die gesam­ ten Probleme mit abdampfendem Lösungsmittel in einem erfin­ dungsgemäßen Prozeß zu vermeiden, wenn das Festelektrolytmaterial ausschließlich lösungsmittelfrei, näm­ lich als Pulver, in die katalytische Schicht eingebracht wird.

Insbesondere in diesem Zusammenhang ist es auch vorteilhaft, flüssige Bindemittel zu vermeiden, so daß zweckmäßigerweise ein Verbund in der katalytischen Schicht ausschließlich durch mechanisches Verpressen des katalytischen Pulvers hergestellt wird.

Vorzugsweise dient dabei in dem katalytischen Pulver enthal­ tenes plastisches Material, beispielweise PTFE (Polytetrafluorethylen), als Bindemittel wobei gleichzeitig PTFE noch den zusätzlichen Vorteil hat, daß es aufgrund sei­ ner hydrophoben Eigenschaften wasserfreie Bereich in der ka­ talytischen Schicht schafft.

Über den Träger wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. Dieser könnte lösbar mit der katalytischen Schicht verbunden sein. Eine vorteilhafte Lösung sieht jedoch vor, daß der Trä­ ger und die katalytische Schicht zu einer Einheit verbunden werden, die die Handhabung der katalytischen Schicht bei dem Verfahren erheblich erleichtert.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die katalytische Schicht ausschließlich durch mechanisches Verpressen mit dem Träger verbunden wird.

Vorzugsweise ist dabei ein Trägermaterial so ausgebildet, daß es später eine Diffusionsschicht darstellt, wobei vorzugs­ weise insbesondere für gasförmige elektrochemische Prozesse, das Trägermaterial so ausgewählt ist, daß gasförmige Reak­ tionskomponenten durch dieses leicht hindurch diffundieren.

Vorzugsweise ist der Träger aus flexiblem Flachmaterial, ins­ besondere aus Kohlenstoff, ausgebildet und damit auch noch ein guter elektrischer Leiter.

Bei einem besonders vorteilhaften, insbesondere kontinuier­ lich ablaufenden Verfahren ist vorgesehen, daß der Träger bandförmig ausgebildet ist und insbesondere daß die katalyti­ sche Schicht in einem kontinuierlichen Prozeß auf den band­ förmigen Träger aufgebracht wird.

Besonders zweckmäßig ist es hierbei, wenn das bandförmige Trägermaterial durch zwei gegeneinander arbeitende Walzen hindurchverläuft und die katalytische Schicht durch Auftragen von katalytischem Pulver auf das Trägermaterial durch die Walzen auf das Trägermaterial aufgewalzt wird.

Hinsichtlich der Behandlung der Festelektrolytmembran vor dem Aufbringen der katalytischen Schicht wurden im Zusammenhang mit den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen keine nä­ heren Angaben gemacht. So wäre es beispielsweise denkbar, die Festelektrolytmembran ebenfalls durch Auftragen von in Lö­ sungsmittel gelöstem Festelektrolytmaterial zusätzlich vorzu­ behandeln. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Festelektrolytmembran ebenfalls lösungsmittelfrei behandelt wird, insbesondere, wenn die Festelektrolytmembran keinerlei Lösungsmittel-Vorbehandlung erfährt.

Um einen möglichst innigen Verbund zwischen der Festelektro­ lytmembran und der katalytischen Schicht zu erreichen ist es gegebenenfalls vorteilhaft, wenn die Festelektrolytmembran auf ihrer der katalytischen Schicht zugewandten Oberseite vor dem Aufbringen der katalytischen Schicht auf eine definierte Temperatur gebracht, beispielsweise aufgeheizt, wird. Ein derartiges gezieltes Temperieren der Festelektrolytmembran kann je nach Temperatur derselben von Vorteil sein, um zu verhindern, daß das Festelektrolytmaterial beim in Kontakt kommen mit dem Festelektrolytmaterial der Festelektrolytmem­ bran aufgrund der niedrigen Temperatur derselben und der da­ durch bedingten Abkühlung zu schnell erstarrt, so daß sich kein inniger Verbund zwischen der Festelektrolytmembran und der katalytischen Schicht ergibt.

Das Aufheizen der Festelektrolytmembran vor Aufbringen der katalytischen Schicht kann vorzugsweise so weit gehen, daß die Festelektrolytmembran erweicht, im Extremfall sogar ober­ flächlich angeschmolzen wird.

Hinsichtlich der Ausbildung der Festelektrolytmembran selbst für eine möglichst effiziente Verfahrensführung wurde im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht. So wäre bei einem Ausführungsbeispiel denkbar, Membranstücke nachein­ ander mit der katalytischen Schicht zu versehen, wobei das Versehen mit der katalytischen Schicht und die Herstellung des Verbundes zwischen der Festelektrolytmembran und der ka­ talytischen Schicht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren rasch durchgeführt werden können.

Besonders zweckmäßig läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren jedoch dann einsetzen, wenn die Festelektrolytmembran als Band hergestellt wird und wenn auf dieses Band in einem kon­ tinuierlichen Prozeß die katalytische Schicht unter Bildung des Verbundes zwischen der Festelektrolytmembran und der ka­ talytischen Schicht aufgebracht wird.

Besonders zweckmäßig läßt sich ein Verfahren in diesem Fall dann durchführen, wenn die katalytische Schicht ihrerseits bandförmig auf die Festelektrolytmembran aufgebracht wird.

Ein besonders vorteilhaftes Verfahren sieht in diesem Zusam­ menhang vor, daß die katalytische Schicht auf das als Band ausgebildeten flexiblen Träger zur Bildung eines sogenannten Elektrodenbandes aufgebracht wird und dieses Elektrodenband seinerseits in einem kontinuierlichen Prozeß auf die als Band ausgebildete Festelektrolytmembran unter Bildung des Verbun­ des zwischen der Festelektrolytmembran und der katalytischen Schicht aufgebracht wird.

Zur Art des Aufbringens der katalytischen Schicht auf die Fe­ stelektrolytmembran wurden bislang keine näheren Angaben ge­ macht. So sieht ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, insbesondere ein Ausführungsbei­ spiel, bei welchem eine kontinuierliche Verfahrensführung möglich ist, vor, das die katalytische Schicht auf die Fest­ elektrolytmembran durch Aufwalzen, vorzugsweise durch hin­ durchführen der katalytischen Schicht und der Festelektrolytmembran durch zwei gegeneinanderwirkende Wal­ zen, aufgebracht wird.

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 ungefähr 0,03 und ungefähr 1 µm.

Das pulverförmige Katalysatormaterial ist vorzugsweise Pla­ tinpulver mit einer Korngröße zwischen ungefähr 20 und unge­ fähr 50 Angström.

Das verwendete Festelektrolytmaterial in der katalytischen Schicht ist vorzugsweise mit dem Festelektrolytmaterial der Festelektrolytmembran identisch und liegt mit einer Korngröße zwischen ungefähr 0,5 bis ungefähr 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, mit einer Korngröße von ungefähr 0,2 bis ungefähr 1 µm aufweist.

Ferner ist es noch möglich, zusätzlich noch einen Porenbild­ ner, beispielsweise Zucker, dem katalytischen Pulver zuzuge­ ben.

Eine besonders vorteilhafte Zusammensetzung des erfindungsge­ mäßen katalytischen Pulvers sieht beispielsweise einen Anteil von ungefähr 50% Kohlenstoff, ungefähr 5% Platin, ungefähr 20% PTFE und ungefähr 25% Nafion vor.

Ein besonders zweckmäßig einzusetzender Verbund aus Elektro­ denmaterial, Katalysatormaterial und Festelektrolytmembran sieht vor, daß die Festelektrolytmembran beiderseits mit ei­ ner katalytischen Schicht versehen wird und somit der Verbund als Einheit unmittelbar in einer elektrochemische Zelle, vor­ zugsweise einer Brennstoffzelle einsetzbar ist.

Der Verbund kann dabei entweder durch gleichzeitiges beider­ seitiges Auftragen der katalytischen Schicht hergestellt wer­ den. Noch vorteilhafter ist es jedoch, wenn die katalytische Schicht zuerst auf einer Seite, dann auf der gegenüberliegen­ den Seite der Festelektrolytmembran aufgebracht wird.

Um den erfindungsgemäßen Verbund aus Elektrodenmaterial, Ka­ talysatormaterial und Festelektrolytmembran möglichst ohne umfangreiche Weiterbearbeitung zum Einbau in eine erfindungs­ gemäße elektrochemische Zelle herzustellen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die katalytische Schicht in Form einzelner, bis zu einem Randbereich der Festelektrolytmembran reichender Schichtbereiche auf die Festelektrolytmembran aufgebracht wird.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Festelektrolytmembran in ihren Randbereichen frei von katalytischem Pulver gehalten wird.

Dies läßt sich beispielsweise bei einer als Band ausgebilde­ ten Festelektrolytmembran dadurch erreichen, daß die kataly­ tische Schicht zwischen seitlichen Randbereichen der Festelektrolytmembran aufgebracht wird.

Um ferner zu erreichen, daß die Schichtbereiche allseits von Randbereichen umschlossen werden, ist vorzugsweise vorgese­ hen, daß zur Bildung von Randbereichen zwischen einzelnen Schichtbereichen die katalytische Schicht abschnittsweise verbundbildungsfrei auf die Festelektrolytmembran aufgebracht wird. Das heißt, daß die katalytische Schicht zwar durchge­ hend in Längsrichtung des Bandes auf die Festelektrolytmem­ bran aufgebracht wird, jedoch die Bildung eines Verbundes zwischen der katalytischen Schicht und der Festelektrolytmem­ bran im Bereich der Randbereiche nicht erfolgt. Dies läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß abschnittsweise kein Aufheizen der katalytischen Schicht erfolgt, so daß auch das Festelektrolytmaterial in der selben nicht aufschmelzen kann und somit lediglich ein Aufdrücken der katalytischen Schicht auf die Festelektrolytmembran erfolgt, so daß in die­ sem Bereich die katalytische Schicht leicht ablösbar ist.

Eine weitere, besonders einfach zu gestaltende Vorgehensweise sieht vor, daß zum verbundbildungsfreien Aufbringen der kata­ lytischen Schicht Zwischenstücke zwischen die Festelektrolyt­ membran und die katalytische Schicht eingelegt werden, so daß selbst bei kontinuierlichem Aufheizen der katalytischen Schicht das erweichte, insbesondere erschmolzene Festelektro­ lytmaterial keine Verbindung mit der Festelektrolytmembran eingehen kann, da die Zwischenstücke zwischen beiden liegen und somit beispielsweise eine Verbindung zwischen der kataly­ tischen Schicht und dem Zwischenstück eingegangen wird.

In diesem Fall ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß in den verbundbildungsfreien Bereichen die katalytische Schicht ent­ fernt wird. Im einfachsten Fall ist dies dadurch möglich, daß die katalytische Schicht in den verbundbildungsfreien Ab­ schnitten herausgetrennt wird.

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 eines Verfah­ rens zum Auftragen einer katalytischen Schicht auf einem Träger;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Verfahrens zum Auftragen der katalytischen Schicht auf einer Festelektrolytmembran;

Fig. 3 eine Gesamtdarstellung des Verfahrens zum beiderseitigen Aufbringen einer katalytischen Schicht auf einer Festelektrolytmembran;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine erfindungsge­ mäße Festelektrolytmembran;

Fig. 5 einen verbundbildungsfreien Abschnitt durch ein eingelegtes Zwischenstück der Einheit aus katalytischer Schicht und Festelektrolytmem­ bran;

Fig. 6 eine schematische Darstellung des Heraustren­ nens eines verbundbildungsfreien Abschnitts;

Fig. 7 einen Längsschnitt durch einen erfindungsge­ mäßen Verbund aus Elektrodenmaterialkatalysa­ tormaterial und Festelektrolytmembran mit Randbereichen zwischen einzelnen Schichtbe­ reichen der katalytischen Schicht;

Fig. 8 eine Draufsicht in Richtung des Pfeils A in Fig. 7; und

Fig. 9 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle mit einem erfindungsgemäßen Verbund aus Elektrodenmate­ rialkatalysatormaterial und Festelektrolyt­ membran.

Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah­ rens wird in einem ersten Schritt, dargestellt in Fig. 1, in einer Messermühle 10 ein katalytisches Pulver 12 aus einer Mischung eines elektrisch leitenden Materials, zum Beispiel Kohlenstoff, eines Katalysatormaterials, zum Beispiel Platin, eines hydrophobierenden Mediums, zum Beispiel PTFE (Polytetrafluorethylen), und eines Festelektrolytmaterials, zum Beispiel Nafion (Nafion ist ein eingetragenes Warenzei­ chen Du Pont), hergestellt und in der Messermühle 10 mitein­ ander vermischt.

Gegebenenfalls kann noch ein Porenbildner, z. B. Zucker, hin­ zugegeben werden.

Das katalytische Pulver setzt sich dabei beispielsweise aus ungefähr 50 Gewichtsprozent Kohlenstoffpartikeln mit einer Korngröße zwischen ungefähr 0,03 und ungefähr 1 µm, vorzugs­ weise ungefähr 30 nm, ungefähr 5 Gewichtsprozent Platin mit einer Korngröße der Platinpartikel zwischen ungefähr 20 und ungefähr 50 Angström, vorzugsweise ungefähr 30 Angström, un­ gefähr 20 Gewichtsprozent PTFE-Pulver mit einer Korngröße zwischen ungefähr 0,2 und ungefähr 1 µm, vorzugsweise ungefähr 0,5 µm und ungefähr 25 Gewichtsprozent Nafionpulver mit einer Korngröße zwischen ungefähr 0,5 und ungefähr 2 µm, vorzugs­ weise ungefähr 1 µm, zusammen.

Vorzugsweise sind die Kohlenstoffpartikel bereits platiniert, d. h. mit Platinpartikeln der oben angegebenen Größe versehen, wobei das Auftragen der Platinpartikel auf die Kohlenstoff­ partikel in einem naßchemischen Verfahren erfolgt.

Diese Bestandteile des katalytischen Pulvers werden in der schnellaufenden Messermühle 10 zu einer homogenen Mischung miteinander vermischt und einem Verteiler 13 einer Auftrag­ einrichtung 14 zugeführt, mit welcher auf einen in der Brenn­ stoffzelle als eine Gasdiffusion zulassenden Träger 16, beispielsweise aus hydrophobiertem Kohlenstoffpapier oder Kohlenstoffaser, eine katalytische Schicht 18 mit einer Dicke zwischen ungefähr 50 und ungefähr 200 µm mittels zweier achsparallel angeordneter und in geringem Abstand voneinander angeordneter Walzen 20 und 22 aufgewalzt wird.

Dabei verläuft der Träger 16 auf der Walze 20 anliegend zwi­ schen den beiden Walzen 20 und 22 hindurch, wobei sich zwi­ schen dem Träger 16 und der Walze 22 ein Spalt 24 bildet, in welchen mit dem Verteiler 13 soviel katalytisches Pulver 12 eingebracht wird, daß die nach durch Durchlaufen der beiden Walzen 20 und 22 auf dem Träger 16 aufgewalzte katalytische Schicht 18 die angegebene Dicke aufweist.

Der Träger 16 mit der später als Elektrode dienenden kataly­ tischen Schicht 18 wird vorzugsweise als kontinuierliches Band hergestellt und bildet ein sogenanntes Elektrodenband 26 für eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle mit einem Festelek­ trolyten.

In diesem Elektrodenband 26 wird dabei die Verbindung zwi­ schen den Partikeln der katalytischen Schicht 18 innerhalb derselben und zwischen der katalytischen Schicht 18 und dem Träger 16 rein durch mechanischen, von den beiden Walzen 20 und 22 ausgeübten mechanischen Druck auf das in den Spalt 24 eingebrachte katalytische Pulver 12 und den Träger 16 herge­ stellt.

Zum Herstellen einer Verbundeinheit aus Elektrode und Fest­ elektrolyt für eine Brennstoffzelle wird einem zweiten Wal­ zenpaar 30 und 32 mit parallel zueinander verlaufenden Achsen einerseits eine Membran 34 aus Festelektrolytmaterial auf der Walze 30 aufliegend zugeführt und andererseits das Elektro­ denband, wobei die katalytische Schicht der Membran 34 zuge­ wandt angeordnet ist.

Die katalytische Schicht 18 enthält, wie in Fig. 2 vergrößert dargestellt, neben Kohlenstoffpartikeln 36, die als elektri­ sche Leiter dienen, an diesen gehaltene Platinteilchen 38, die als Katalysator dienen, und dem mit dem Kohlenstoff ver­ bundenen PTFE 40, als hydrophobierendem Medium, noch zusätz­ lich Partikel 42 aus dem Festelektrolytmaterial, beispielsweise Nafion, aus welchem auch die Membran 34 herge­ stellt ist.

Unmittelbar bevor durch das Walzenpaar 30 und 32 ein Verpres­ sen des Elektrodenbandes 26 mit der Membran 34 erfolgt, wer­ den die Membran 34 und das Elektrodenband 26 in einem Winkel α zueinander geführt, wobei vor einem Auflegen der katalyti­ schen Schicht 18 auf einer dieser zugewandten Oberfläche 44 der Membran 34 mittels einer Wärmequelle 46, beispielsweise gebildet durch einen Heizdraht oder einen anders gearteten Infrarotstrahler die Partikel 42 des Festelektrolytmaterials aufgrund der von der Wärmequelle abgegebenen thermischen Strahlung 48 auf die Glaspunkttemperatur erhitzt, vorzugs­ weise geschmolzen oder angeschmolzen und in diesem Zustand danach durch das Walzenpaar 30 und 32 auf die Oberfläche 44 der Membran 34 aufgepreßt, wodurch die aufgeschmolzenen oder angeschmolzenen Partikel 42 des Festelektrolytmaterials durch das Verpressen des Elektrodenbandes 26 mit der Membran 34 zwischen den Walzen 30 und 32 zusammen mit den übrigen Parti­ keln der katalytischen Schicht 18 auf die Oberfläche 44 auf oder in die Oberfläche 44 der Membran 34 eingepreßt werden. Insbesondere tritt der durch Aufschmelzen oder Anschmelzen der Partikel 42 erzeugte flüssige Festelektrolyt in die Zwi­ schenräume zwischen den Partikeln der katalytischen Schicht ein und läßt somit eine dreidimensionale Dreiphasengrenze zwischen dem ionenleitenden Festelektrolytmaterial, dem Kata­ lysator und dem elektrisch leitenden Material entstehen.

Ferner erfolgt gleichzeitig ein Verkleben zwischen den Parti­ keln 42 der katalytischen Schicht 18 untereinander und der Membran 34, wodurch insgesamt die katalytische Schicht 18 und mit dieser dann auch der Träger 16 auf der Membran 34 haften.

Im Falle der Verwendung von Nafion 117 als Festelektrolytma­ terial erfolgt ein Aufheizen der Festelektrolytpartikel 42 auf ungefähr 135°C.

Je nach dem, ob die Membran 34 im Bereich ihrer Oberfläche 44 ebenfalls aufgeschmolzen werden soll oder nicht, ist zwischen der Wärmequelle 46 und der Oberfläche 44 der Membran 34 noch ein Wärmeschutzschild 50 vorgesehen, wobei durch das Wärme­ schutzschild 50 der Grad der Aufheizung der Membran 34 im Be­ reich ihrer Oberfläche 44 festlegbar ist.

Ferner ist durch die Rotationsgeschwindigkeit der Walzen 30 und 32 und die Strahlungstemperatur der Wärmequelle 46 auch die Aufschmelztiefe in der katalytischen Schicht 18, das heißt also die Tiefe, in welcher die Partikel 42 des Fest­ elektrolytmaterials in der katalytischen Schicht 18 noch auf­ geschmolzen werden, einstellbar.

Um ferner die Verbindung zwischen dem Elektrodenband 26 und der Membran 34 definiert zu steuern ist vorgesehen, daß die Walzen 30 und 32 temperierbar sind, so daß über die Walzen 30 und 32 auch die Erstarrung des aufgeschmolzenen Festelektro­ lytmaterials beim und nach dem Verpressen durch Wärmezu- oder Abfuhr über die Walzen 30 und 32 einstellbar ist.

Um die Membran 34 beidseitig mit einem Elektrodenband 26 zu beschichten ist zusätzlich, wie in Fig. 3 dargestellt, ein weiteres Walzenpaar 30′, 32′ vorgesehen, welches nach dem Walzenpaar 30, 32 die bereits einerseits mit dem Elektroden­ band 26 versehene Membran 34 auf der gegenüberliegenden Seite mit einem Elektrodenband 26′ versieht, welches mit einer Auf­ trageinrichtung 14 in gleicher Weise hergestellt ist wie das Elektrodenband 26, so daß diesbezüglich auf die vorstehenden Ausführungen vollinhaltlich Bezug genommen wird.

Alternativ dazu ist es möglich, die Membran 34 gleichzeitig beidseitig mit dem Elektrodenband 26 zu beschichten.

Das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Verbund aus der aus Festelektrolytmaterial bestehenden Membran 34 mit beiderseits innig mit dieser verbundenen katalytischen Schichten 18 und 18′ und dem jeweiligen auf der katalytischen Schicht 18 bzw. 18′ aufliegenden Träger 16 bzw. 16′, welcher die spätere Gasdiffusionsschicht bildet.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit einen Verbund aus Membran und Elektrode in Form eines kontinuierlichen Ma­ terialstreifens herzustellen.

Da es bei Festelektrolyt-Brennstoffzellen erforderlich ist, im Bereich der Membran 34 abzudichten und somit die im Ver­ bund auf die Membran 34 aufgebrachte Elektrode 16 mit Unter­ brechung herzustellen, ist beispielsweise vorgesehen, daß beim Herstellen des Verbundes aus Membran 34 und dem Elektro­ denband 26 auf die Oberfläche 44 der Membran 34 Zwischen­ stücke 52 aufgelegt werden, welche verhindern, daß das Elektrodenband 26 mit den an- oder aufgeschmolzenen Partikeln 42 des Festelektrolytmaterials sich innig mit der Oberfläche 44 der Membran 34 verbindet, sondern dazu führen, daß sich die Partikel 42 mit den Zwischenstücken 52 verbinden, die lose auf der Oberfläche 44 der Membran 34 aufgelegt sind. Da­ mit ist es möglich, wie in Fig. 5 und 6 dargestellt, durch ein einfaches Schneidverfahren mit einem Messer 54 die die Zwischenstücke 52 überdeckenden Bereiche des Elektrodenbandes 26 nach dem Aufwalzen des Elektrodenbandes 26 auf die Membran 34 mittels der Walzen 30 und 32 herauszutrennen und damit Randbereiche 58 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Elektro­ denbereichen 60 zu schaffen, in denen eine direkte Abdichtung auf der Oberfläche 44 der Membran 34 möglich ist.

Ferner wird vorteilhafterweise, wie in Fig. 7 und 8 darge­ stellt, das Elektrodenband 26 mit einer Breite BE herge­ stellt, welche kleiner ist als die Breite BM der Membran 34, so daß bei mittig auf die Membran aufgetragenem Elektroden­ band 26 beiderseits desselben seitliche Randbereiche 58 ver­ bleiben, in welchen ebenfalls eine direkte Abdichtung mit der Oberfläche 44 der Membran 34 rund um einen der Elektrodenbe­ reiche 60 möglich ist.

Mit derartigen auf die Membran 34 aufgetragenen Elektrodenbe­ reichen 60 lassen sich schematisch in Fig. 9 dargestellte Brennstoffzellen 70 herstellen, bei welchen die Membran 34 mit den Randbereichen 58 in einem Gehäuse 72 dichtend gehal­ ten ist und die beiderseits auf der Membran 34 sitzenden Elektrodenbereiche 60 auf ihren der Membran 34 abgewandten Seiten 74 durch Stromkollektoren 76, 78 kontaktiert sind, die jeweils auf den Trägern 16 aufliegen, welche dem Anpreßdruck der Stromkollektoren auf die als Elektrode dienende katalyti­ sche Schicht 18 gleichmäßig verteilen. Ferner lassen die Trä­ ger 16 gleichzeitig die Diffusion von H₂ und O₂ zu den Elektroden 18 und zur Membran 34 zu.

Claims (18)

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 das Fest­ elektrolytmaterial umfassendes katalytisches Pulver hergestellt wird, daß aus dem katalytischen Pulver eine katalytische Schicht auf einen Träger hergestellt wird, daß die katalytische Schicht auf einer dem Träger abge­ wandten Seite zum Erweichen des Festelektrolytmaterials aufgeheizt wird und das anschließend die katalytische Schicht bei noch erweichtem Festelektrolytmaterial zur Bildung eines Verbundes unter Druck auf die Festelek­ trolytmembran aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytische Schicht durch elektromagnetische Strahlung aufgeheizt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als elektromagnetische Strahlung Wärmestrahlung ei­ nes erhitzten Körpers eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Festelektrolytmaterial ausschließlich lösungsmittelfrei in die katalytische Schicht eingebracht wird.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Verbund in der katalyti­ schen Schicht ausschließlich durch mechanisches Verpressen des katalytischen Pulvers hergestellt wird.

6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Träger und die katalyti­ sche Schicht zu einer Einheit verbunden werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytische Schicht ausschließlich durch mechani­ sches Verpressen mit dem Träger verbunden wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Trägermaterial so ausgewählt ist, daß es eine Diffusionsschicht für Reaktionskomponenten der elektrochemischen Zelle bildet.

9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial so ausge­ wählt ist, daß es einem elektrischen Leiter zur Kontaktierung der als Elektrode dienenden katalytischen Schicht bildet.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Träger aus flexiblem Flachmate­ rial gebildet ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger bandförmig ausgebildet ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytische Schicht in einem kontinuierlichen Pro­ zeß auf den bandförmigen Träger aufgebracht wird.

13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Festelektrolytmembran auf ihrer der katalytischen Schicht zugewandten Oberseite vor dem Aufbringen der katalytischen Schicht auf eine definierte Temperatur gebracht wird.

14. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Festelektrolytmembran als Band verwendet wird und auf diese in einem kontinuier­ lichen Prozeß die katalytische Schicht unter Bildung des Verbundes zwischen der Festelektrolytmembran und der katalytischen Schicht aufgebracht wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytische Schicht ihrerseits bandförmig auf die Festelektrolytmembran aufgebracht wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytische Schicht auf den als Band ausgebildeten flexiblen Träger zur Bildung eines sogenannten Elektro­ denbandes aufgebracht und dieses seinerseits in einem kontinuierlichen Prozeß auf die als Band ausgebildete Festelektrolytmembran unter Bildung des Verbundes zwi­ schen der Festelektrolytmembran und der katalytischen Schicht aufgebracht wird.

17. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Festelektrolytmembran beiderseits mit einer katalytischen Schicht versehen wird.

18. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die katalytische Schicht in Form einzelner, bis zu einem Randbereich der Festelek­ trolytmembran reichender Schichtbereiche auf die Fest­ elektrolytmembran aufgebracht wird.