DE19705468A1 - Herstellung einer Membran mit aufgebrachter Elektrode mittels Ultraschall - Google Patents

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.