DE19705468A1 - Herstellung einer Membran mit aufgebrachter Elektrode mittels Ultraschall - Google Patents
Herstellung einer Membran mit aufgebrachter Elektrode mittels UltraschallInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Her
stellung einer Membran mit aufgebrachter Elektrode.
Derartige Membran-Elektroden-Einheiten werden bei
spielsweise für Brennstoffzellen benötigt.
Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektro
lyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxida
tionsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brenn
stoff, z. B. Wasserstoff zugeführt. Kathode und Anode
einer Brennstoffzelle weisen in der Regel eine durchge
hende Porosität auf, damit die beiden Betriebsmittel
Brennstoff und Oxidationsmittel dem Elektrolyten zuge
führt und das Produktwasser abgeführt werden können.
Es gibt Brennstoffzellen, bei denen protonenleitende
Membranen als Elektrolyt eingesetzt und die bei Tempe
raturen von 80°C betrieben werden. An der Anode einer
solchen Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des
Brennstoffs mittels eines Katalysators Wasserstoffio
nen. Die Wasserstoffionen passieren den Elektrolyten
und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem vom
Oxidationsmittel stammenden Sauerstoff zu Wasser. Elek
tronen werden dabei freigesetzt und elektrische Energie
erzeugt.
Zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit der
vorgenannten Art werden Elektroden mittels heißisosta
tisches Pressen auf der Membran aufgebracht. Eine Elek
trode wird bei Temperaturen von ca. 120-130°C bei
Drücken von 100-200 bar aufgepreßt. Die Preßzeit
liegt bei 10-180 min.
Nachteilhaft sind verhältnismäßig lange Zeiten zum Auf
bringen der Elektroden auf die Membran erforderlich.
Voraussetzung sind ferner Membranen, die entsprechend
temperaturbeständig sind. Des weiteren muß insbesondere
die Elektrode mechanisch stabil genug sein, um hohe
Preßdrücke von 100-200 bar auszuhalten.
Ferner ist es problematisch, einen mechanisch festen
Kontakt zwischen Elektrode und Membran oder mit anderen
Worten einen innigen Verbund herzustellen.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines schnellen
Herstellungsverfahrens für Membran-Elektroden-Einheiten,
bei dem die Anforderungen bezüglich mechani
scher Stabilität der Elektroden und bezüglich der Tem
peraturbeständigkeit der Membranen im Vergleich zum
eingangs genannten Stand der Technik herabgesetzt sind.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Elektrode mittels
Ultraschall mit der Membran verschweißt wird. Es hat
sich herausgestellt, daß während des Schweißvorgangs
die Elektrode mit vorzugsweise 1-10 bar auf die Mem
bran gedrückt werden sollte. Mechanische Stabilitätsan
forderungen an die Elektrode sind bei diesen Drücken
folglich wesentlich geringer im Vergleich zur Herstel
lung mittels heißisostatischem Pressens. Im wesentli
chen findet das Verfahren bei Raumtemperatur statt. Die
Anforderungen bezüglich der Temperaturbeständigkeit der
Membran sind folglich verhältnismäßig gering. Innerhalb
von wenigen Sekunden sind Elektrode und Membran mitein
ander verschmolzen (verschweißt). Im Vergleich zum hei
ßisostatisches Pressen ist das Verfahren somit schnell
und daher kostengünstig.
Werden poröse Elektroden eingesetzt, so wird eine er
heblich bessere Haftung zwischen einer Elektrode und
Membran erzielt. Die bessere Haftung liegt vor, da bei
der Ultraschallverschweißung Membranmaterial stärker in
eine poröse Elektrode eindringt als beim heißisostati
sches Pressen. Es entsteht eine Art Verzahnung und da
mit eine gute Haftung zwischen Elektrode und Membran.
Als äquivalente Maßnahme kann statt der zuvor vorgese
henen porösen Elektrode pulverförmiges Elektrodenmate
rial vorgesehen werden. Das Pulver wird auf die Membran
aufgestreut und per Ultraschall unter Anwendung von
Druck (insbesondere 1-10 bar) mit der Membran ver
schweißt. Die Verschweißung erfolgt dann insbesondere
an der an der Grenzfläche Membran-Elektrodenpulver.
Vorteilhaft wird die Elektrode oder als äquivalente
Maßnahme pulverförmiges Elektrodenmaterial vor der Ul
traschallverschweißung mit einem protonenleitfähigen
polymer getränkt. Die Haftung zwischen der Elektrode
und der Membran wird so weiter gesteigert.
Geeignete Membranen zur Durchführung des Verfahrens
verhalten sich thermoplastisch, d. h. sie sind bei Wärme
verformbar. Sie weisen ferner einen Quasi-Schmelzpunkt
auf, d. h. sie verhalten sich glasartig. Es gibt also
einen Glasumwandlungspunkt, wobei die zugehörige Glas
umwandlungstemperatur als die mittlere Erstarrungstem
peratur des Kunststoffs definiert ist.
Am Beispiel einer Elektrode mit einem Durchmesser von 30 mm
werden die einzelnen Verfahrensschritte im folgenden näher
erläutert.
Eine dünne, homogene Katalysatorschicht wird aus einer
wäßrigen Suspension auf ein Filterpapier abfiltriert. Die
Suspension beinhaltet 4 mg/cm3 Pt-Mohr (BET-Oberfläche gemäß
DIN 66 131: 8,3 m2/g, Schüttdichte des Pt-Mohr vor der
Verarbeitung: 3,31 g/cm3, Porosität von Pt-Mohr: 85%) sowie
0,4 mg/cm3 PTFE-Suspension. Als PTFE-Suspension kann
HOSTAFLON TF5032 von Hoechst eingesetzt werden.
Nach dem Abfiltrieren wird die auf dem Filterpapier be
findliche Katalysatorschicht, die im folgenden zunächst
Elektroden-Vorstufe genannt wird, für 15 min erst an
der Luft und anschließend im Trockenschrank bei 110°C
für ca. 20 min getrocknet.
Zur Aktivierung der Elektroden-Vorstufe, d. h. zur Ver
größerung der aktiven Oberfläche wird mittels eines
Sprühverfahrens Elektrolytmaterial (z. B. NAFION Lösung
in Wasser/Alkohol) auf die Katalysatorschicht auf
gebracht. Die Belegung mit Aktivierungsmittel beträgt
z. B. 0,5 mg/cm2. Als Trägergas kann Stickstoff für das
Sprühen eingesetzt werden.
Auf eine Membran, üblicherweise NAFION 112, 115 oder
117 mit einer Dicke von z. B. 50 µm wird mittels Ultra
schall zunächst die zuvor aktivierte Elektroden-Vorstufe
wie folgt aufgebracht:
Membran und die Elektrode, die bisher als
Elektroden-Vorstufe bezeichnet worden ist, werden auf einer Ar
beitsfläche aufeinandergelegt.
Membran und Elektrode werden zueinander mit einem Au
ßenring mit einem Innendurchmesser von 32 mm fixiert,
der um die zu verschweißende Fläche gelegt wird. Der
Ring wird mit einer Kraft von ca. 20 N gepreßt. Eine
Sonotrode mit einem Durchmesser von 30 mm wird durch
den Außenring herangeführt. Die Sonotrode taucht in den
Ring ein, bis sie die Elektrode mit einem Druck von 5
bar anpreßt. Mittels der Sonotrode wird Ultraschall mit
einer Frequenz von 35 kHz und einer Leistung von 400 W
erzeugt und der Elektrode sowie der Membran zugeführt.
Zur Befestigung der Elektrode auf der Membran genügt
dann eine Schweißzeit von ca. 0,2 sek.
Anschließend wird auf der anderen Seite der Membran ei
ne zweite Elektrode in analoger Weise angebracht.
Zuletzt wird der verschweißte Elektroden-Membranverbund
entnommen. Das Filterpapier, mit anderen Worten der
Elektrodenträger wird abgelöst. Der entstandene Verbund
wird z. B. mit einer 20% NaOH-Lauge gereinigt, danach in
2,5 molarer Schwefelsäure gespült und in Wasser gela
gert.
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung einer Membran mit aufge
brachter Elektrode, indem die Elektrode mit der Mem
bran mittels Ultraschall verschweißt wird.
2. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, bei dem eine
poröse Elektrode eingesetzt wird.
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