DE202005010590U1 - Formation of catalytic anode and cathode layers on a fuel cell membrane uses a roller printing process - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbringung einer katalytischen Schicht auf eine Membran, zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle.The The invention relates to a device for applying a catalytic Layer on a membrane, for the production of a membrane electrode assembly for one Fuel cell.
Brennstoffzellen sind elektrochemische Systeme, mit denen die chemische Energie von Brennstoffen in einer elektrochemischen Reaktion direkt in elektrische Energie umgesetzt wird. Zum Betrieb der Brennstoffzelle wird der als Anode wirkenden Elektrode Wasserstoffgas oder wasserstoffhaltiges Gas zugeführt. An der als Kathode wirkenden Elektrode wird Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas zugeführt. An der Anode wird Wasserstoff katalytisch oxidiert. Die dabei freiwerdenden Elektronen werden über die Elektrode an den Verbraucher abgeführt und die entstehenden Protonen wandern durch den Elektrolyten auf die Kathodenseite, wo sie mit Sauerstoff ebenfalls katalytisch zu Wasser umgesetzt werden. Die dafür notwendigen Elektronen werden über die Elektrode zugeführt. Bei einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle besteht der Elektrolyt aus einer protonenleitenden Membran. Aus dem Elektronenüberschuss auf der Anodenseite und dem Elektronenmangel auf der Kathodenseite des Elektrolyts resultiert ein Spannungsgefälle, das zur Gewinnung von elektrischer Energie (Gleichstrom) genutzt werden kann.fuel cells are electrochemical systems with which the chemical energy of Fuels in an electrochemical reaction directly into electrical Energy is implemented. To operate the fuel cell is the Anode-acting electrode is hydrogen gas or hydrogen-containing Gas supplied. At the cathode acting as the electrode is oxygen or oxygen-containing Gas supplied. Hydrogen is catalytically oxidized at the anode. The thereby released Electrons are over the electrode is discharged to the consumer and the resulting protons migrate through the electrolyte to the cathode side, where they are with Oxygen can also be catalytically converted to water. The necessary for this Electrons are over the electrode is supplied. In a polymer electrolyte fuel cell, the electrolyte exists from a proton-conducting membrane. From the electron surplus on the anode side and the electron deficiency on the cathode side of the electrolyte results in a voltage gradient, which is for the production of electrical Energy (DC) can be used.
Ein Brennstoffzellen-Stapel (Stack) besteht aus mehreren hintereinander geschalteten Zellen, die jeweils durch eine sogenannte Bipolar-Platte voneinander getrennt sind. Durch die in diese Platte eingravierten Kanäle werden der Brennstoff bzw. das Oxidat verteilt. Außerdem dient die Bipolar-Platte zur Kühlung der Zelle. Neben der reinen Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle gibt es weitere Zellentypen, die sich primär in Bezug auf den Elektrolyten unterscheiden.One Fuel cell stack consists of several in a row switched cells, each through a so-called bipolar plate are separated from each other. By engraved in this plate channels the fuel or the oxidate are distributed. It also serves the bipolar plate for cooling the cell. In addition to the pure hydrogen-oxygen fuel cell There are other cell types that are primarily related to the electrolyte differ.
Wegen
ihres hohen Wirkungsgrades, ihrer kompakten Bauweise und ihrer kurzen
Startup-Zeiten gewinnen Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen
(PEMFC: Polymer-Electrolyte
Membrane Fuel Cell) zunehmend als alternative Energiequelle zur
mobilen oder dezentralen Stromerzeugung an Bedeutung. Insbesondere
in Kraftfahrzeugen zum Antrieb oder zur elektrischen Versorgung
zukünftiger Bordnetze
oder als kleinere stationäre
Anlagen zur Stromerzeugung haben sie ein hohes Anwendungspotenzial
und werden ständig
weiterentwickelt. PEMFCs sind Niedertemperatur-Zellen für typische Arbeitstemperaturen
von 60–120°C. Neuere
Entwicklungen, beispielsweise beschrieben in der
Kernstück der PEM-Brennstoffzellen ist ein Stapel aus sogenannten Membran-Elektroden-Einheiten (MEA: Membrane-Electrode-Assembly). Eine MEA besteht aus einer festen ionenleitenden, folienförmigen Elektrolyt-Membran, die auf beiden Seiten jeweils mit einer katalytisch wirksamen Elektroden-Schicht, die die Anode, bzw. die Kathode bilden, versehen ist. Diese hochporösen Katalysator-Schichten bestehen im Wesentlichen aus einem elektrisch leitenden Trägermaterial, beispielsweise Ruß, und aus einem Elektro-Katalysator, vorzugsweise Platin (ggf. in einer Legierung mit anderen Metallen), der in hochdisperser Form auf das Trägermaterial abgeschieden wird. Daran schließt sich nach außen meist eine poröse Gasdiffusionslage (GDL), beispielsweise aus Kohlefaserpapier, an, die einen guten Zugang der Reaktionsgase zu den Elektroden und eine gute Ableitung des Zellstromes ermöglicht. Die GDL bildet mit der Katalysatorschicht eine Gasdiffusions-Elektrode (GDE). Die Katalysator-Schichten können zunächst auf der GDL aufgebracht sein und anschließend mit der Membran zusammengefügt werden oder sie können direkt auf die Membran aufgebracht werden, wobei dann die GDL anschließend oder in einem gemeinsamen Arbeitsgang aufgebracht wird.Centerpiece of PEM fuel cells is a stack of so-called membrane-electrode assemblies (MEA: Membrane Electrode Assembly). An MEA consists of a solid ion-conducting foil-shaped electrolyte membrane, each with a catalytically active electrode layer on both sides, which is the anode, or the cathode form, is provided. These highly porous catalyst layers consist essentially of an electrically conductive substrate, for example, soot, and from an electric catalyst, preferably platinum (possibly in an alloy with other metals), which is deposited in highly dispersed form on the carrier material. That concludes outward usually a porous one Gas diffusion layer (GDL), for example made of carbon fiber paper, to, the good access of the reaction gases to the electrodes and a good derivation of the cell current allows. The GDL forms with the catalyst layer, a gas diffusion electrode (GDE). The catalyst layers can first be applied to the GDL and then be joined to the membrane or you can be applied directly to the membrane, in which case the GDL then or is applied in a joint operation.
Zur Herstellung der katalytischen Schicht wird beispielsweise zunächst ein Gemisch aus einem Binder und einem Porenbildner, das den Katalysator (z.B. 30 Gewichtsprozent Platin auf Ruß) enthält, mit einem Lösungsmittel zu einer Paste oder Tinte verarbeitet und dann auf die Membran, bzw. die GDL aufgebracht. Der Binder kann später, beispielsweise durch Ausheizen, wieder entfernt werden. Über die Poren in der GDL und in der katalytischen Schicht steht der dispergierte Elektro-Katalysator (Platin) mit den zugeführten Arbeits-Gasen (Wasserstoff an der Anode, bzw. Sauerstoff oder Luft an der Kathode) direkt in Kontakt.to Preparation of the catalytic layer is, for example, first Mixture of a binder and a pore former containing the catalyst (e.g. 30 weight percent platinum on carbon black) with a solvent processed into a paste or ink and then onto the membrane, or the GDL. The binder can later, for example by heating, be removed again. about the pores in the GDL and in the catalytic layer is the dispersed electro-catalyst (Platinum) with the supplied Working gases (hydrogen at the anode, or oxygen or air at the cathode) directly in contact.
Von der Qualität der auf die PEM aufgebrachten Katalysatorschicht(en) hängt entscheidend die Leistung der PEMFC ab. Daher kommt bei der Herstellung der Brennstoffzelle dem Beschichtungsverfahren besondere Bedeutung zu.From the quality the catalyst layer (s) applied to the PEM critically depends on the Performance of the PEMFC. Therefore comes in the production of the fuel cell the coating process of particular importance.
Aus
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Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist, dass sie relativ aufwendig in Kosten, Zeit und Komplexität bei der Durchführung und Anzahl der Arbeitsgänge sind. Weiterhin ist es mit den bekannten Techniken besonders schwierig, sehr dünne (10 μm und darunter) gleichmäßige Schichtdicken zu erzeugen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass mit den genannten Verfahren keine positionsgenaue Beschichtung der Membran oder der Gasdiffusionslage möglich ist.adversely in the known methods is that they are relatively expensive in cost, Time and complexity during execution and number of operations are. Furthermore, it is particularly difficult with the known techniques, very thin (10 μm and below) uniform layer thicknesses to create. Another disadvantage is that with the mentioned Method no positionally accurate coating of the membrane or the Gas diffusion layer possible is.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, die in Effektivität, Genauigkeit und Kosten verbessert ist und die Erzeugung von katalytischen Beschichtungen mit Schichtdicken im Bereich von 5 bis 50 μm, vorzugsweise 10 bis 20 μm erlaubt.task The present invention is to provide a device which in effectiveness, Accuracy and cost is improved and the generation of catalytic Coatings with layer thicknesses in the range of 5 to 50 microns, preferably 10 to 20 μm allowed.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass zwei xerografische Drucker-Einheiten gegenüberliegend angeordnet sind, mittels derer die Membran in einem Arbeitsdurchgang beidseitig beschichtbar ist.These The object is in connection with the preamble of claim 1 solved by that two xerographic printer units are arranged opposite one another, by means of which the membrane can be coated on both sides in one working pass is.
Die xerografischen Drucker-Einheiten ermöglichen die Herstellung dünnster Elektrodenschichten hoher Qualität, d.h. mit einer fehlerfreien Beschichtung und einer sehr gleichmäßigen Schichtdicke. Dadurch, dass zwei xerografische Einheiten (Trommeln, Korona-Einheiten) vorgesehen sind, wird eine gleichzeitige beidseitige Beschichtung der Membran ermöglicht, die die Effektivität des Herstellungsprozesses einer Membran-Elektroden-Einheit erhöht. Die einzelnen Komponenten können kostengünstig an die Bauweise der entsprechenden aus Laserdruckern bekannten Komponenten angelehnt sein. Grundsätzlich ist es selbstverständlich auch möglich, mit dieser Vorrichtung oder mit einer entsprechenden Vorrichtung mit nur einer xerografischen Einheit, (Laserdrucker) eine einseitige Beschichtung vorzunehmen und die beiden Membranseiten nacheinander zu beschichten.The xerographic printer units enable the production of very thin electrode layers high quality, i.e. with a defect-free coating and a very uniform layer thickness. By having two xerographic units (drums, corona units) are provided, a simultaneous double-sided coating the membrane allows the effectiveness of the manufacturing process of a membrane-electrode assembly increases. The individual components can inexpensive the construction of the corresponding known from laser printers components be ajar. in principle it goes without saying also possible with this device or with a corresponding device with only a xerographic unit, (laser printer) a one-sided Apply coating and the two membrane sides in succession to coat.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist aus einer ersten Kartusche ein katalytisches Beschichtungs-Material zur Herstellung einer Anoden-Schicht einer Membran-Seitenfläche und aus einer zweiten Kartusche ein katalytisches Beschichtungs-Material zur Herstellung einer Kathoden-Schicht der anderen Membran-Seitenfläche zuführbar.According to one preferred embodiment of The invention is a first cartridge of a catalytic coating material for the production an anode layer of a membrane side surface and a second cartridge a catalytic coating material for producing a cathode layer the other membrane side surface fed.
Dadurch, dass zwei Kartuschen vorgesehen sind, ist es möglich, die zwei Trommeln für die Anodenseite und die Kathodeseite bei der beidseitigen Beschichtung auf einfache Weise mit Tonerpulver zu beschicken. Weiterhin wird ermöglicht, zur Leistungsoptimierung oder für zukünftige Entwicklungen von Membran-Elektroden-Einheiten, auf der Anodenseite und der Kathodeseite unterschiedliche katalytische Schichten aufzutragen.Thereby, that two cartridges are provided, it is possible to use the two drums for the anode side and the cathode side in the double-sided coating on simple Way with toner powder to feed. Furthermore, it is possible for performance optimization or for future Developments of membrane-electrode assemblies, on the anode side and to apply different catalytic layers to the cathode side.
Die Aufbringung einer katalytischen Schicht auf eine Membran kann nach einem Verfahren erfolgen, bei dem zunächst ein im Wesentlichen aus einem Ionomer (protonenleitendes Polymermaterial) und aus einem Trägermaterial, z.B. Industrieruß, auf das ein Elektrokatalysator, z.B. Platin abgeschieden ist, ein feinteiliges katalytisches Pulver hergestellt und zur Verfügung gestellt wird. Ggf. können noch weitere Zusatzstoffe wie Wachse, Porenbildner, Metalloxide und ein polymerer Binder darin enthalten sein.The Application of a catalytic layer to a membrane can after a method in which initially a substantially from an ionomer (proton conductive polymer material) and a Support material e.g. Carbon black, to which an electrocatalyst, e.g. Platinum is deposited, a fine catalytic powder produced and provided becomes. Possibly. can still further additives such as waxes, pore formers, metal oxides and a polymeric binder contained therein.
Unter einem xerografischen Verfahren wird ein elektrostatisches Druckverfahren verstanden, bei dem trockenes Tonerpulver verwendet wird.Under a xerographic process becomes an electrostatic printing process understood, is used in the dry toner powder.
Bei dem xerografischen Beschichtungs-Prozess wird in einem ersten Arbeitsschritt das katalytische Pulver in einer Entwickler-Einheit negativ aufgeladen und auf eine sich drehende Trommel aufgebracht, auf der das Pulver haften bleibt. In einem zweiten Arbeitsschritt wird die Membran zwischen der Trommel und einer positiv aufgeladenen Korona-Einheit hindurchgeführt, wobei durch die positive Spannung der katalytische Toner auf die Membran gezogen wird. In einem abschießenden dritten Schritt wird in einer Fixier-Einheit der noch lose Toner mittels Druck und/oder Wärmeeinwirkung mit der Membran fest verbunden. Die xerografische Beschichtung ermöglicht gegenüber herkömmlichen Walz-, Druck (Flachdruck, Siebdruck) – und Sprühtechniken insbesondere gleichmäßigere katalytische Schichten bei geringen Schichtdicken von bis zu unter 10μm und einen gleichbleibend hohen Qualitätsstandard der Beschichtungen bei verringertem Kostenaufwand.at the xerographic coating process will be in a first step the catalytic powder negatively charged in a developer unit and applied to a rotating drum on which the powder sticks. In a second step, the membrane passed between the drum and a positively charged corona unit, wherein pulled by the positive tension of the catalytic toner on the membrane becomes. In a shooting third step is in a fixing unit of the still loose toner by means of pressure and / or heat firmly connected to the membrane. The xerographic coating allows over conventional Rolling, printing (planographic printing, screen printing) and spraying techniques, in particular uniform catalytic Layers with small layer thicknesses of up to less than 10μm and one consistently high quality standard the coatings at a reduced cost.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Beschichtungsvorgang mittels eines xerografischen Printverfahrens durchgeführt. Dabei kann der Beschichtungsvorgang z.B. durch einen Laserdrucker oder Kopierer durchgeführt werden. Dies ermöglicht eine positionsgenaue Aufbringung der Elektrodenschicht auf der Membran.According to one preferred embodiment of Invention, the coating process by means of a xerographic Print procedure performed. there For example, the coating process may be through a laser printer or Copier performed become. this makes possible a positionally accurate application of the electrode layer on the membrane.
Vorzugsweise wird dabei das katalytisch aufbereitete Tonerpulver in einer dem Laserdrucker bzw. dem Kopierer zugeordneten Toner-Kartusche vorgehalten wird. Diese Art der Vorhaltung ermöglicht zugleich eine einfache Lagerung und Versendung des Tonermaterials.In this case, the catalytically prepared toner powder is preferably pre-loaded in a toner cartridge assigned to the laser printer or the copier will hold. This type of provision at the same time allows easy storage and shipment of the toner material.
Der Beschichtungsvorgang kann besonders kostengünstig und einfach in einer Vorrichtung, die auf einem Laserdrucker oder Kopierer basiert, durchgeführt werden. Bei einem Laserdrucker oder Kopierer ist auf der Trommel eine fotoempfindliche Schicht angeordnet, die zunächst über eine Aufladungs-Korona-Einheit negativ aufgeladen und dann durch gezielte Belichtung über eine Belichtungseinheit (z.B. Laser) an den belichteten Stellen wieder neutralisiert wird. Dadurch bleibt der Toner nur an den belichteten Stellen haften (und wird von den unbelichteten Stellen abgestoßen) und ein latentes differenziertes Bild entsteht. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann dies ausgenutzt werden, um die Unterlage (Membran) mit einer katalytischen Schicht mit exakt vorgegebenen Flächenmaßen und genauer Positionierung zu beschichten. Beispielsweise kann so ein vorgegebener Rahmenbereich der Membran unbeschichtet bleiben. Aufwendige Schablonen oder Positionierungsvorrichtungen können dabei entfallen, wodurch weitere Kosten gespart werden. Auch sind grundsätzlich bestimmte Beschichtungsmuster möglich.Of the Coating process can be particularly cost effective and easy in one Device that is based on a laser printer or copier to be performed. A laser printer or copier has a photosensitive one on the drum Layer arranged initially over a Charging corona unit charged negatively and then by targeted Exposure over an exposure unit (e.g., laser) at the exposed locations is neutralized again. This will leave the toner in the exposed areas only stick (and is repelled by the unexposed areas) and a latent, differentiated image emerges. In the inventive method can this can be exploited to make the underlay (membrane) with a catalytic Layer with exactly specified surface dimensions and exact positioning to coat. For example, such a predetermined frame area the membrane remain uncoated. Elaborate templates or positioning devices can thereby omitted, whereby further costs are saved. Also are basically certain Coating pattern possible.
In der einfachsten Form kann das Verfahren jedoch auch auf die fotoempfindliche Schicht der Trommel und auf die Laser-Einheit (Belichtungs-Einheit) verzichten, so dass eine sehr kostengünstige elektrostatische Druck-Vorrichtung geeignet ist. Durch eine gleichzeitige beidseitige Beschichtung der Membran ist eine zusätzliche Zeitersparnis möglich.In However, the simplest form of the method can also be applied to the photosensitive Layer of the drum and dispense with the laser unit (exposure unit), making a very cost-effective electrostatic Pressure device is suitable. By a simultaneous bilateral Coating the membrane is an additional time savings possible.
Voraussetzung
für die
erfindungsgemäße Beschichtung
einer Membran mit einer elektrokatalytischen Schicht ist eine entsprechende
mechanische und thermische Membranstabilität. Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren
insbesondere zur Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten geeignet,
die, wie in
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft veranschaulicht sind.Further Details of the invention will become apparent from the following detailed Description and attached Drawings in which preferred embodiments of the invention are exemplified.
In den Zeichnungen zeigen:In show the drawings:
Eine
Vorrichtung zur Aufbringung einer katalytischen Schicht (
In
Die
in
Die
zweite xerografische Einheit
Ein
Verfahren zur Aufbringung einer katalytischen Schicht
In
einer Entwickler-Einheit
Falls eine in der Fläche differenzierte Elektrodenschicht gewünscht ist oder Ränder auf der Membran frei bleiben sollen, bzw. eine genaue Positionierung und Abgrenzung der zu beschichteten Fläche erforderlich ist, kann dies mit einer Belichtungs-Einheit und einer fotoleitenden Schicht (Fotoleitertrommel) auf die aus der Laserdrucker-Technik an sich bekannte Weise realisiert werden.If one in the plane differentiated electrode layer is desired or edges on the membrane should remain free, or accurate positioning and demarcation of the area to be coated may be required this with an exposure unit and a photoconductive layer (Photoconductive drum) on the laser printer technology itself known manner be realized.
Claims (2)
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (3)
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE202005010590U1 true DE202005010590U1 (en) | 2005-11-24 |
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ID=35455450
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Cited By (1)
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CN110265674A (en) * | 2019-07-12 | 2019-09-20 | 深圳市信宇人科技股份有限公司 | Single roller transfer coating method of hydrogen fuel cell CCM membrane electrode |
-
2005
- 2005-07-06 DE DE202005010590U patent/DE202005010590U1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN110265674A (en) * | 2019-07-12 | 2019-09-20 | 深圳市信宇人科技股份有限公司 | Single roller transfer coating method of hydrogen fuel cell CCM membrane electrode |
CN110265674B (en) * | 2019-07-12 | 2023-09-15 | 深圳市信宇人科技股份有限公司 | Single-roller transfer printing coating method for CCM membrane electrode of hydrogen fuel cell |
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