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DE102004024845A1 - Catalyst layer`s manufacture for high-temperature fuel cells, involves applying electrode paste on substrate under blade pressure to form catalyst layers, drying layers above room temperature and soaking dried layers in acid - Google Patents

Catalyst layer`s manufacture for high-temperature fuel cells, involves applying electrode paste on substrate under blade pressure to form catalyst layers, drying layers above room temperature and soaking dried layers in acid Download PDF

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Publication number
DE102004024845A1
DE102004024845A1 DE102004024845A DE102004024845A DE102004024845A1 DE 102004024845 A1 DE102004024845 A1 DE 102004024845A1 DE 102004024845 A DE102004024845 A DE 102004024845A DE 102004024845 A DE102004024845 A DE 102004024845A DE 102004024845 A1 DE102004024845 A1 DE 102004024845A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
catalyst
layers
catalyst layer
electrode paste
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102004024845A
Other languages
German (de)
Inventor
Christiane Jacksch
Wolfgang Dr. Zipprich
Gerold Dr. Hübner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Priority to DE102004024845A priority Critical patent/DE102004024845A1/en
Publication of DE102004024845A1 publication Critical patent/DE102004024845A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

The method involves applying an electrode paste (20) on a substrate (21) under blade pressure for forming catalyst layers, where the pressure amounts to 3 bars. The catalyst layers are dried under temperature effect above the room temperature. The dried catalyst layers are soaked in an acid. The drying process takes place dependent on a catalyst loading in the vacuum or under normal temperature.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Katalysatorschicht für elektrochemische Zellen, insbesondere für Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit einer Polymermembran, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a method for producing a catalyst layer for electrochemical Cells, especially for High-temperature fuel cells with a polymer membrane, according to the preamble of claim 1

Während des Betriebes einer Polymer-Elektrolyt-Membran-(PEM)-Brennstoffzelle wird ein Oxidationsmittel der Kathode und ein Reduktionsmittel der Anode der Brennstoffzelle zugeführt. Als Prozessgase werden häufig Luft sowie ein wasserstoffreiches Reformat oder reiner Wasserstoff eingesetzt. Anode und Kathode sind durch eine ionenleitfähige Brennstoffzellenmembran getrennt. An der Anode findet die elektrochemische Oxidation des Wasserstoffs statt, an der Kathode die Reduktion des Sauerstoffs. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie kann in Brennstoffzellen ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden.During the Operation of a Polymer Electrolyte Membrane (PEM) Fuel Cell is an oxidizing agent of the cathode and a reducing agent of Anode supplied to the fuel cell. As process gases become common Air as well as a hydrogen-rich reformate or pure hydrogen used. Anode and cathode are through an ion-conductive fuel cell membrane separated. At the anode, the electrochemical oxidation of the Hydrogen instead, at the cathode, the reduction of oxygen. By the direct conversion of chemical into electrical energy can be achieved in fuel cells high efficiency.

Die zur Zeit am weitesten entwickelte PEM-Brennstoffzellentechnologie basiert auf Brennstoffzellenmembranen aus Nafion® als Elektrolyt. Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, wodurch die Protonenleitfähigkeit der Brennstoffzellenmembran an das Vorhandensein von flüssigem Wasser gekoppelt ist. Dies limitiert die Betriebstemperatur bei Normaldruck auf unter 100°C.The PEM fuel cell technology developed at present most widely based on fuel cell membranes of Nafion ® as the electrolyte. The electrolytic conduction takes place via hydrated protons, whereby the proton conductivity of the fuel cell membrane is coupled to the presence of liquid water. This limits the operating temperature at normal pressure below 100 ° C.

Bei Temperaturen, die höher als 80-95°C sind, verschlechtert sich die Leistung aufgrund des Flüssigkeitsverlustes deutlich. Zur Aufrechterhaltung der Leitfähigkeit der Brennstoffzellenmembran oberhalb von 100°C sind aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Dampfdrucks von Wasser sehr große Wassermengen zur Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran nötig. In Systemen mit einem Prozessgasdruck größer als der Normaldruck kann die Betriebstemperatur prinzipiell erhöht werden, allerdings zu Lasten der Effizienz, Größe und Gewichtes der Gesamtsystems. Für einen Betrieb deutlich über 100°C würde der benötigte Druck drastisch ansteigen.at Temperatures higher are 80-95 ° C, Performance deteriorates significantly due to fluid loss. To maintain conductivity The fuel cell membrane above 100 ° C are due to the temperature dependence the vapor pressure of water very large amounts of water for humidification the fuel cell membrane needed. In systems with a process gas pressure greater than the normal pressure can the operating temperature can be increased in principle, but at a cost the efficiency, size and weight the overall system. For operation well above 100 ° C would be the needed Pressure increase dramatically.

Betriebstemperaturen größer 100°C sind aber aus den verschiedensten Gründen erstre benswert: Die Elektrokinetik wie auch die katalytische Aktivität für beide Elektroden wird mit zunehmender Temperatur gesteigert. Außerdem ist die Toleranz gegenüber Verunreinigungen im Brenngas, wie z.B. Kohlenmonoxid (CO) höher. CO ist häufig in wasserstoffreichem Reformat enthalten und muss mit großem Aufwand entfernt werden, bevor das Reformat der Brennstoffzelle zugeführt werden kann. Weiterhin ist für den Einsatz in einem Fahrzeug ist eine möglichst hohe Temperatur in der Brennstoffzelle und damit eine große Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur für die Abführung der Abwärme wünschenswert.operating temperatures but greater than 100 ° C are for a variety of reasons First of all, the electrokinetics as well as the catalytic activity for both Electrodes increase with increasing temperature. Besides that is the tolerance Impurities in the fuel gas, e.g. Carbon monoxide (CO) higher. CO is common contained in hydrogen-rich reformate and must with great effort are removed before the reformate of the fuel cell are supplied can. Furthermore, for The use in a vehicle is as high a temperature as possible the fuel cell and thus a large temperature difference to Ambient temperature for the exhaustion the waste heat desirable.

Um höhere Betriebstemperaturen zu erreichen ist bereits vorgeschlagen worden, Brennstoffzellen mit Brennstoffzellenmembranen auf der Basis von basischen Polymeren aus der Gruppe der Polyazole zu verwenden, deren Funktionalität nicht an das Vorhandensein von Wasser gebunden ist. Damit ergeben sich deutliche Vereinfachungen bezüglich des Wasserhaushaltes gegenüber dem oben beschriebenen Nafion®-basierten System. Allerdings sind bei Systemen mit solchen Brennstoffzellenmembranen bisher nur geringe Leistungsdichten von typischerweise weniger als 0,4 W/cm2 bei einer Spannung von 0,6 V erreicht worden.In order to achieve higher operating temperatures it has already been proposed to use fuel cells with fuel cell membranes based on basic polymers from the group of polyazoles whose functionality is not linked to the presence of water. This results in significant simplifications in terms of the water balance compared to the Nafion ® -based system described above. However, in systems with such fuel cell membranes, only low power densities of typically less than 0.4 W / cm 2 have been achieved at a voltage of 0.6V.

Kernstück der Brennstoffzelle ist dabei deren Membranelektrodeneinheit, die aus einer Brennstoffzellenmembran mit beidseitig angeordneter Gasdiffusionselektrode besteht, die jeweils eine Katalysatorschicht umfasst. Die Katalysatorschicht ist entweder auf einem gasdurchlässigen Substrat oder direkt auf der Brennstoffzellenmembran aufgebracht. An der katalytischen Oberfläche der Katalysatorschicht findet die anodische Oxidation des Reduktionsmittels zu Protonen oder die kathodische Reduktion des Oxidationsmittels statt. Üblicherweise grenzt an die Katalysatorschicht, die auf beiden Seiten der Brennstoffzellenmembran angeordnet ist, die Gasdiffusionsschicht. Die Gasdiffusionsschicht dient sowohl der Verteilung der Reaktanden als auch der Stromableitung. Jedem einzelnen dieser Elemente sowie ihrem spezifischen Zusammenwirken kommt eine große Bedeutung bei der erreichbaren Leistungsdichte der Brennstoffzellen zu.Centerpiece of the fuel cell is their membrane electrode unit, which consists of a fuel cell membrane with double-sided arranged gas diffusion electrode, the each comprises a catalyst layer. The catalyst layer is either on a gas-permeable Substrate or applied directly to the fuel cell membrane. At the catalytic surface the catalyst layer receives the anodic oxidation of the reducing agent Protons or the cathodic reduction of the oxidant instead. Usually Adjacent to the catalyst layer, on both sides of the fuel cell membrane is arranged, the gas diffusion layer. The gas diffusion layer serves both the distribution of the reactants and the current dissipation. Each one of these elements and their specific interaction comes a big one Significance in the achievable power density of fuel cells to.

Aus der WO 01/31725 A1 ist ein Siebdruckverfahren zur Herstellung eines schichtförmigen Elektrokatalysators für Nafion®-basierte Brennstoffzellen bekannt, bei der eine Elektrodenpaste auf die Brennstoffzellenmembran aufgetragen wird und anschließend getrocknet und unter Zufuhr von Wärme mit der Brennstoffzellenmembran verpresst wird. Um ein Quellen der Brennstoffzellenmembran zu verhindern, wird der Elektroden paste ein unpolares Lösungsmittel beigemischt.From WO 01/31725 A1 a screen printing method for producing a layered electrocatalyst for Nafion ® -based fuel cell is known, is applied to the fuel cell membrane in which an electrode paste and is compressed and then dried by supplying heat with the fuel cell membrane. To prevent swelling of the fuel cell membrane, the electrodes paste a non-polar solvent is added.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Katalysatorschicht für elektrochemische Zellen, insbesondere für Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit Polymermembran, bereitzustellen, die bei Betriebstemperaturen von bis zu 200°C arbeiten kann und gleichzeitig eine verbesserte Leistungsdichte beim Betrieb der elektrochemischen Zelle ermöglicht.task The present invention is a process for the preparation a catalyst layer for electrochemical cells, in particular for high-temperature fuel cells with polymer membrane, provide at operating temperatures up to 200 ° C can work while maintaining improved power density during operation of the electrochemical cell allows.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.The Task is according to the invention with the features of claim 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Katalysatorschicht für eine elektrochemischen Zelle mittels Siebdruck sieht vor, eine Elektrodenpaste unter Druck auf ein Substrat aufzutragen, unter Temperatureinwirkung oberhalb von Raumtemperatur zu trocknen und die getrocknete Katalysatorschicht mit einer Säure zu tränken. Vorteilhaft ist, dass ein separater Heißpressvorgang nach der Beschichtung und/oder Trocknung der Elektrodenpasten unterbleiben kann. Ein bevorzugtes Substrat ist eine Gasdiffusionsschicht aus leitfähigem Kohlenstoffgewebe. Ein weiteres bevorzugtes Substrat ist ein auf Kunststoff basierendes Gewebe oder Filzmaterial. Ein besonders bevorzugtes Substrat, insbesondere für eine Serienfertigung, ist eine Brennstoffzellenmembran, insbesondere eine auf einem basischen Polymer aus der Gruppe der Polyazole basierende Brennstoffzellenmembran, vorzugsweise überwiegend aus Polybenzimidazol, Poly(pyridine), Polybenzoxazole oder Mischungen davon und/oder anderen geeigneten Polymeren bestehend. Wesentliche Prozessparameter, wie etwa Rakeldruck, Rakelgeschwindigkeit, Anzahl von Druckdurchgängen, Anzahl von Flut- und Druckwiederholungen pro Druckdurchgang, wie auch eine Maschenweite des Siebs zur Beschichtung des Substrats können in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der zu verarbeitenden Elektrodenpaste wie auch in Abhängigkeit von dem Substrat gewählt werden. Beim Fluten führt die Rakel die Elektrodenpaste dem Sieb vom Druckende zum Druckanfang ohne Druck zu. Dadurch ermöglicht die Rakel das Fluten, d.h. das Füllen der Maschenöffnungen im Sieb vor dem nächsten Druck. Die Trocknung erfolgt zweckmäßigerweise unter Unterdruck. Optional ist auch eine Trocknung unter Inertgas denkbar.The inventive method for producing a catalyst layer for an electrochemical cell By screen printing provides an electrode paste under pressure to apply a substrate, under the influence of temperature above room temperature to dry and to soak the dried catalyst layer with an acid. Advantageous is that a separate hot pressing after avoid the coating and / or drying of the electrode pastes can. A preferred substrate is a gas diffusion layer conductive carbon fabric. Another preferred substrate is a plastic based Fabric or felt material. A particularly preferred substrate, in particular for one Series production, is a fuel cell membrane, in particular a based on a basic polymer from the group of polyazoles Fuel cell membrane, preferably predominantly polybenzimidazole, Poly (pyridines), polybenzoxazoles or mixtures thereof and / or others consisting of suitable polymers. Essential process parameters, such as about squeegee pressure, squeegee speed, number of print passes, number flood and pressure repetitions per print run, as well as a Mesh size of the screen for coating the substrate may be in dependence on the composition of the electrode paste to be processed as well dependent on chosen from the substrate become. When floods leads the squeegee the electrode paste the sieve from the end of printing to the beginning of printing without pressure too. This allows the doctor blade flooding, i. the filling the mesh openings in the sieve before the next Print. The drying is advantageously carried out under reduced pressure. Optionally, a drying under inert gas is conceivable.

Die Elektrodenpaste umfasst vorzugsweise ein Katalysatorpulver aus einem vorzugsweise kohlenstoffgeträgerten Katalysator, ein Lösungsmittel, bevorzugt ein organisches, insbesondere dipolar-aprotisches Lösungsmittel, wenigstens ein porenbildendes Material sowie eine Polymerlösung. Das Lösungsmittel wird zweckmäßigerweise zum Erzeugen der Polymerlösung wie auch zum Suspendieren der Pastenkomponenten verwendet. Das Katalysatorpulver weist vorzugsweise einen kohlenstoffgeträgerten Edelmetallkatalysator, insbesondere Platin oder ein anderes Edelmetall wie Iridium oder Ruthenium oder andere geeignete Stoffe. Das porenbildende Material besteht vorzugsweise aus einem Mitglied der Gruppe von anorganischen Salzen, insbesondere Carbonaten und/oder anorganischen Aziden, insbesondere aus der Gruppe von Ammoniumcarbonat, Natriumazid und/oder Calziumcarbonat. Alternativ oder zusätzlich kann das porenbildende Material eine inerte Komponente mit großer innerer Oberfläche sein, insbesondere wenigstens ein Mitglied aus der Gruppe Kohlenstoff, insbesondere ein entsprechend modifiziertes Graphit, Siliziumdioxid, und/oder Titandioxid. Neben seiner Art sind bei dem porenbildenden Material seine Verteilung und sein Gehalt, seine Teilchengröße in der Elektrodenpaste vor dem Trocknen der Elektrodenpaste jeweils Parameter, mit denen sich die Porenbildung gut steuern lässt. Ferner können die Bedingungen bei der Temperaturerhöhung beim Trocknen der Elektrodenpaste, die Viskosität der Elektrodenpaste, deren Temperaturgradient und deren Feuchtegehalt weitere gut handhabbare Einflussgrößen auf die Ausbildung der gewünschten Porenstruktur.The Electrode paste preferably comprises a catalyst powder of a preferably carbon-supported Catalyst, a solvent, is preferred an organic, especially dipolar, aprotic solvent, at least one pore-forming material and a polymer solution. The solvent is expediently for producing the polymer solution as well as used to suspend the paste components. The catalyst powder preferably has a carbon-supported noble metal catalyst, in particular platinum or another noble metal such as iridium or Ruthenium or other suitable substances. The pore-forming material preferably consists of one member of the group of inorganic Salts, in particular carbonates and / or inorganic azides, in particular from the group of ammonium carbonate, sodium azide and / or calcium carbonate. Alternatively or in addition For example, the pore-forming material may be an inert component with a large internal Be surface in particular at least one member of the group carbon, in particular a correspondingly modified graphite, silicon dioxide, and / or titanium dioxide. In addition to its kind are in the pore-forming Material its distribution and its content, its particle size in the Electrode paste before drying the electrode paste each parameter, with which the pore formation can be controlled well. Furthermore, the Conditions for increasing the temperature during drying of the electrode paste, the viscosity the electrode paste, its temperature gradient and its moisture content other well manageable factors influencing the training of the desired pore structure.

Als günstiges Lösungsmittel, insbesondere ein dipolar-aprotisches Lösungsmittel, kann eines aus der Gruppe N,N-Dimethylformamid, N,N-Dimethylacetamid und/oder eine Säure, insbesondere eine starke Säure wie Trifluoressigsäure, Phosphorsäure verwendet werden. Damit können gezielt Gaskanäle in die Katalysatorschicht eingebracht werden, welche den Transport von Reaktanden unterstützen und eine verbesserte Leistungsdichte der elektrochemischen Zelle ermöglichen.When favorable Solvent, in particular a dipolar aprotic solvent, one of the group N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide and / or a Acid, especially a strong acid like trifluoroacetic acid, phosphoric acid be used. With that you can specifically gas channels be introduced into the catalyst layer, which transport to support reactants and allow an improved power density of the electrochemical cell.

Vorzugsweise beträgt der Druck, insbesondere der Rakeldruck, beim Aufrakeln der Elektrodenpaste auf das Substrat mindestens 3 bar, besonders bevorzugt zwischen 4 und 5 bar.Preferably is the pressure, in particular the squeegee pressure, when doctoring the electrode paste to the substrate at least 3 bar, more preferably between 4 and 5 bar.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.advantageous Further developments of the invention are specified in subclaims.

Eine günstige Anzahl von Druckdurchgängen beim Auftragen der Elektrodenpaste 20 mindestens beträgt 2, vorzugsweise 2 bis 4. Dabei kann bei jedem Druckdurchgang eine bestimmte Anzahl von Flut- und Druckwiederholungen erfolgen. Vorteilhaft ist, wenn die Anzahl der Flut- und Druckwiederholungen zwischen 2 und 5 liegt, insbesondere zwischen 2 und 4. Die Parameter für das Siebdrucken und die damit erzielte Katalysator aufweisende Schicht mit Gaskanälen kann für eine Anodenseite und Kathodenseite der elektrochemischen Zelle unterschiedlich sein und bedarfsgemäß ausgewählt werden.A favorable number of printing passes when applying the electrode paste 20 at least 2, preferably 2 to 4. It can be done at each print run a certain number of flood and pressure repeats. It is advantageous if the number of flood and pressure repeats lies between 2 and 5, in particular between 2 and 4. The parameters for the screen printing and the catalyst-containing layer with gas channels obtained can be different for an anode side and cathode side of the electrochemical cell and according to need to be selected.

In günstiger Weiterbildung wird das beschichtete Substrat unter Vakuum bei einer ersten Trocknungstemperatur von mehr als 100° C getrocknet, vorzugsweise bei mehr als 140°C, besonders bevorzugt im Bereich von 150°C ± 5°C. Ein günstiger Unterdruck liegt bei unter 50 mbar, insbesondere im Bereich von bei 20 ± 5 mbar. Günstigerweise wirkt die erste Trocknungstemperatur mindestens 12 Stunden ein, vorzugsweise 20 ± 5 h. Optional kann auch in einer Inertgasatmosphäre getrocknet werden.In better Continuing the coated substrate under vacuum at a dried first drying temperature of more than 100 ° C, preferably at more than 140 ° C, more preferably in the range of 150 ° C ± 5 ° C. A favorable negative pressure is included below 50 mbar, in particular in the range of at 20 ± 5 mbar. conveniently, the first drying temperature will work for at least 12 hours, preferably 20 ± 5 H. Optionally, it is also possible to dry in an inert gas atmosphere.

Günstig ist, die zuvor mit Säure getränkte Katalysatorschicht bei einer zweiten Trocknungstemperatur zu trocknen, wobei die zweite Trocknungstemperatur abhängig von einer Katalysatorbeladung eines der Katalysatorschicht bzw. der Elektrodenpaste beigemischten Katalysatorpulvers eingestellt werden kann. Als Säure wird bevorzugt Phosphorsäure (H3PO4) oder ihre Derivate verwendet, insbesondere mit einer Konzentration zwischen 60% und 99%, bevorzugt mit einer Konzentration von 70%. Vorteilhaft ist ein Gehalt an Säure pro Katalysatorschicht von 0,01 bis 0,3 ml/cm2, vorzugsweise von 0,05 bis 0,2 ml/cm2. Als günstig erweist sich, wenn bei einer geringen Katalysatorbeladung des Katalysatorpulvers die zweite Trocknungstemperatur höher ist als bei einer hohen Katalysatorbeladung des Katalysatorpulvers. Besonders günstig ist, bei geringer Katalysatorbeladung nicht unter Vakuumbedingungen und bei höherer Katalysatorbeladung unter Vakuum zu trocknen. Vorzugsweise ist die zweite Trocknungstemperatur für eine geringe Katalysatorbeladung größer als 100°C und für eine hohe Katalysatorbeladung kleiner als 100°C, insbesondere ist die Trocknungstemperatur für die geringe Katalysatorbeladung etwa 110°C und für die hohe Katalysatorbeladung etwa 50°C. Unter geringer Katalysatorbeladung wird ein Verhältnis von Katalysator zu Träger von bis zu 25%, vorzugsweise bis 20%, und unter hoher Katalysatorbeladung ein Verhältnis bis 70%, vorzugsweise bis 60% verstanden (Prozentangaben in Gewichtsprozent). Denkbar als Option ist auch, bei hoher Katalysatorbeladung unter Inertgasatmosphäre zu trocknen, wobei jeweils die zweckmäßigste Atmosphäre gewählt werden kann.Conveniently, the previously acid-impregnated catalyst layer is at a second drying time drying, wherein the second drying temperature can be adjusted depending on a catalyst loading of the catalyst powder or the catalyst paste mixed with the catalyst paste. The acid used is preferably phosphoric acid (H 3 PO 4 ) or its derivatives, in particular with a concentration between 60% and 99%, preferably with a concentration of 70%. An acid content per catalyst layer of from 0.01 to 0.3 ml / cm 2 , preferably from 0.05 to 0.2 ml / cm 2, is advantageous. It proves to be advantageous if the second drying temperature is higher with a low catalyst loading of the catalyst powder than with a high catalyst loading of the catalyst powder. It is particularly favorable to dry under vacuum and at higher catalyst loading under vacuum at low catalyst loading. Preferably, the second drying temperature for a low catalyst loading greater than 100 ° C and for a high catalyst loading less than 100 ° C, in particular, the drying temperature for the low catalyst loading about 110 ° C and for the high catalyst loading about 50 ° C. Under low catalyst loading is a ratio of catalyst to support of up to 25%, preferably up to 20%, and under high catalyst loading, a ratio of up to 70%, preferably understood to 60% (percentages in weight percent). It is also conceivable as an option to dry at high catalyst loading under inert gas atmosphere, in each case the most appropriate atmosphere can be selected.

Vorteilhaft ist, bei einer hohen Katalysatorbeladung das mit der Katalysatorschicht beschichtete Substrat unter Unterdruck zu trocknen, insbesondere unterhalb von 50 mbar, vorzugsweise im Bereich von 20 ± 5 mbar. Eine günstige Trocknungszeit in beiden Fällen liegt bei mehr als 12 h, vorzugsweise 15-20 h. Ein günstiger Gehalt an Säure in der Katalysatorschicht bzw. der Elektrode liegt nach der Trocknung bei mehr als 0,005 g/cm2, vorzugsweise bei 0,01–0,015 g/cm2.It is advantageous, at a high catalyst loading, to dry the substrate coated with the catalyst layer under reduced pressure, in particular below 50 mbar, preferably in the range of 20 ± 5 mbar. A favorable drying time in both cases is more than 12 h, preferably 15-20 h. A favorable content of acid in the catalyst layer or the electrode after drying is more than 0.005 g / cm 2 , preferably 0.01-0.015 g / cm 2 .

Die Erfindung lässt sich insbesondere für Hochtemperatur-Brennstoffzellen, aber auch für Elektrolysezellen einsetzen, die vorzugsweise eine Membran aus einem basischen Polymer aus der Gruppe der Polyazole basierende Brennstoffzellenmembran, vorzugsweise überwiegend aus Polybenzimidazol, Poly(pyridine), Polybenzoxazole oder Mischungen davon und/oder mit anderen geeigneten Polymeren, aufweisen.The Invention leaves especially for high-temperature fuel cells, but also for electrolysis cells use, preferably a membrane of a basic polymer from the group of polyazole based fuel cell membrane, preferably predominantly from polybenzimidazole, poly (pyridines), polybenzoxazoles or mixtures thereof and / or with other suitable polymers.

Weitere Ausbildungsformen und Aspekte der Erfindung werden unabhängig von einer Zusammenfassung in den Patentansprüchen ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigenFurther Embodiments and aspects of the invention will be independent of a summary in the claims without limitation of the Generality explained in more detail below with reference to a drawing. there demonstrate

1 eine schematische Darstellung einer aus einer Mehrzahl in einer Stapelrichtung angeordneten Brennstoffzellen gebildeten Brennstoffzelleneinheit mit einer Detailansicht einer Brennstoffzelle, 1 FIG. 2 a schematic representation of a fuel cell unit formed from a plurality of fuel cells arranged in a stacking direction, with a detailed view of a fuel cell, FIG.

2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Siebdruckvorgangs. 2 a schematic representation of a screen printing process according to the invention.

1 zeigt zur Veranschaulichung eine Brennstoffzelleneinheit 10 mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 11, die in einer Stapelrichtung angeordnet sind. Jede Brennstoffzelle weist eine als Polymer-Brennstoffzellenmembran ausgebildete Brennstoffzellenmembran 12 auf, die auf ihrer Anodenseite zwischen einem Anodenraum 15 und der Brennstoffzellenmembran 12 eine Gasdiffusionsschicht 14 und eine sich zur Brennstoffzellenmembran 12 anschließende, schichtförmigen Katalysatorschicht 13 aufweist sowie symmetrisch zur Brennstoffzellenmembran 12 auf ihrer Kathodenseite zwischen einem Kathodenraum 18 und der Brennstoffzellenmembran 12 eine Gasdiffusionsschicht 17 mit einer sich zur Brennstoffzellenmembran 12 anschließenden schichtförmigen Katalysatorschicht 16 aufweist. Brennstoffzellenmembran 12, Gasdiffusionsschichten 14, 17 sowie Katalysatorschichten 13, 16 bilden eine so genannte Membran-Elektrodeneinheit (MEA). 1 shows for illustrative purposes a fuel cell unit 10 with a plurality of fuel cells 11 which are arranged in a stacking direction. Each fuel cell has a fuel cell membrane formed as a polymer fuel cell membrane 12 on, on their anode side between an anode compartment 15 and the fuel cell membrane 12 a gas diffusion layer 14 and one to the fuel cell membrane 12 subsequent, layered catalyst layer 13 has and symmetrical to the fuel cell membrane 12 on its cathode side between a cathode compartment 18 and the fuel cell membrane 12 a gas diffusion layer 17 with a to the fuel cell membrane 12 subsequent layered catalyst layer 16 having. fuel cell membrane 12 , Gas diffusion layers 14 . 17 as well as catalyst layers 13 . 16 form a so-called membrane electrode assembly (MEA).

2 skizziert einen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Katalysatorschicht 13, 16 für Brennstoffzellen 11 mittels Siebdruck, mit dem eine Elektrodenpaste 20 auf ein Substrat 21 aufgetragen wird. Das Substrat 21 ist besonders bevorzugt eine Gasdiffusionsschicht. Optional kann das Substrat 21 auch eine Brennstoffzellenmembran sein. Die Elektrodenpaste 20 weist als Katalysatormaterial vorzugsweise ein Katalysatorpulver mit kohlenstoffgeträgertem Platin auf. 2 outlines a sequence of the method according to the invention for producing a catalyst layer 13 . 16 for fuel cells 11 by screen printing, with which an electrode paste 20 on a substrate 21 is applied. The substrate 21 a gas diffusion layer is particularly preferred. Optionally, the substrate 21 also be a fuel cell membrane. The electrode paste 20 has as catalyst material preferably a catalyst powder with carbon-supported platinum.

Die Elektrodenpaste 20 wird im Flutvorgang drucklos auf ein Sieb 22 gestrichen, wobei die Maschen mit der Elektrodenpaste 20 geflutet werden. Das Sieb 22 weist eine Bespannung mit einem geeigneten Gewebe auf mit einer Maschenweite auf, die vorzugsweise 21-140 oder 27-120 beträgt, wobei die erste Zahl die Fadenzahl pro cm2 und die zweite Zahl den Fadendurchmesser in μm angibt.The electrode paste 20 is depressurized on a sieve during the flooding process 22 painted, using the mesh with the electrode paste 20 be flooded. The sieve 22 has a covering with a suitable fabric having a mesh size which is preferably 21-140 or 27-120, the first number indicating the number of threads per cm 2 and the second number indicating the diameter of the thread in μm.

Die Elektrodenpaste 20 wird in einer Anzahl von Druckdurchgängen aufgetragen, wobei vorzugsweise maximal drei Druckdurchgänge, günstigerweise ein bis zwei Druckdurchgänge, vorgesehen sind. Die Elektrodenpaste 20 wird dabei von der Rakel 23 unter Druck mit einem Rakeldruck von etwa 4 bis 5 bar in Auftragsrichtung 24 auf das Substrat 21 aufgetragen. Die Rakel 23 bewegt sich mit einer Geschwindigkeit zwischen vorzugsweise 44 bis 56 mm/s. Die Anzahl der Flut- und Druckwiederholungen pro Druckdurchgang liegt zweckmäßigerweise zwischen 2 und 4.The electrode paste 20 is applied in a number of pressure passes, preferably a maximum of three pressure passes, conveniently one to two pressure passes are provided. The electrode paste 20 is doing by the squeegee 23 under pressure with a squeegee pressure of about 4 to 5 bar in the direction of application 24 on the substrate 21 applied. The squeegee 23 moves at a speed between preferably 44 to 56 mm / s. The The number of flood and pressure repetitions per print run is expediently between 2 and 4.

Das mit der Elektrodenpaste 20 beschichtete Substrat 21 wird unter Temperatureinwirkung bei einer ersten Trocknungstemperatur T1 von etwa 150°C mit möglichst geringen Temperaturschwankungen für etwa 15 bis 25 h, vorzugsweise 20 h getrocknet, bis etwaige sich bei der Ausheiztemperatur zersetzende porenbildende Zusätze sich zersetzt, das Lösungsmittel ausgetrieben ist und Gaskanäle in der Schicht erzeugt haben und sich aus der auf dem Substrat 21 aufgetragenen Schicht aus Elektrodenpaste 20 die Katalysatorschicht 13, 16 bildet.The with the electrode paste 20 coated substrate 21 is dried under the action of temperature at a first drying temperature T1 of about 150 ° C with the lowest possible temperature fluctuations for about 15 to 25 h, preferably 20 h, until any decomposing pore-forming additives decompose at the baking temperature, the solvent is expelled and gas channels in the layer have generated and made the on the substrate 21 applied layer of electrode paste 20 the catalyst layer 13 . 16 forms.

Die getrocknete und abgekühlte Katalysatorschicht 13, 16 wird mit hochprozentiger Phosphorsäure möglichst gleichmäßig beträufelt. Der Gehalt an Phosphorsäure beträgt pro Katalysatorschicht 13, 16 zwischen 0,05 und 0,2 ml/cm2. Aufgrund der zumeist hydrophoben Oberfläche des Substrats 21 dringt die Phosphorsäure nicht vollständig in dieses ein. Auf der Katalysatorschichtoberfläche bildet sich ein Phosphorsäurefilm, der beispielsweise durch Schrägstellen des Substrats 21 entfernt werden kann.The dried and cooled catalyst layer 13 . 16 is drizzled as evenly as possible with high-percentage phosphoric acid. The content of phosphoric acid is per catalyst layer 13 . 16 between 0.05 and 0.2 ml / cm 2 . Due to the mostly hydrophobic surface of the substrate 21 does not completely penetrate the phosphoric acid into this. On the catalyst layer surface, a phosphoric acid film is formed, for example, by tilting the substrate 21 can be removed.

Die mit Phosphorsäure imprägnierte Katalysatorschicht 13, 16 wird abhängig von der Katalysatorbeladung des Katalysatormaterials bei einer zweiten Trocknungstemperatur T2 getrocknet. Die zweite Trocknungstemperatur T2 ist bei einer geringen Katalysatorbeladung des Katalysatormaterials höher ist als bei einer hohen Katalysatorbeladung des Katalysatormaterials. Vorzugsweise ist die zweite Trocknungstemperatur T2 für eine geringe Katalysatorbeladung größer als 100°C, insbesondere bei 110°C. Besonders günstig ist, bei geringer Katalysatorbeladung nicht unter Vakuumbedingungen und bei höherer Katalysatorbeladung unter Vakuum zu trocknen. Bei geringer Katalysatorbeladung, insbesondere einer Platinbeladung bis etwa 20% Pt/C, kann das mit der Katalysatorschicht 13, 16 beschichtete Substrat 21 in einem üblichen Trockenschrank getrocknet werden. Für eine hohe Katalysatorbeladung, insbesondere einer Platinbeladung zwischen etwa 20% bis etwa 60% Pt/C. wird das mit der Katalysatorschicht 13, 16 beschichtete Substrat 21 bei etwa 50°C unter Unterdruck im Bereich zwischen 15 und 25 mbar getrocknet. Die Trocknungszeit ist im Wesentlichen unabhängig von der Katalysatorbeladung und beträgt zwischen 15 und 20 h. Nach der Trocknung enthält die Katalysatorschicht 13, 16 und gegebenenfalls auch das Substrat 21 zwischen 0,01 und 0,015 g/cm2 Phosphorsäure.The phosphoric acid impregnated catalyst layer 13 . 16 is dried depending on the catalyst loading of the catalyst material at a second drying temperature T2. The second drying temperature T2 is higher at a low catalyst loading of the catalyst material than at a high catalyst loading of the catalyst material. Preferably, the second drying temperature T2 is greater than 100 ° C for a low catalyst loading, in particular at 110 ° C. It is particularly favorable to dry under vacuum and at higher catalyst loading under vacuum at low catalyst loading. At low catalyst loading, in particular a platinum loading to about 20% Pt / C, with the catalyst layer 13 . 16 coated substrate 21 be dried in a standard drying oven. For a high catalyst loading, in particular a platinum loading between about 20% to about 60% Pt / C. this will happen with the catalyst layer 13 . 16 coated substrate 21 dried at about 50 ° C under reduced pressure in the range between 15 and 25 mbar. The drying time is essentially independent of the catalyst loading and is between 15 and 20 h. After drying, the catalyst layer contains 13 . 16 and optionally also the substrate 21 between 0.01 and 0.015 g / cm 2 of phosphoric acid.

1010
Brennstoffzelleneinheitfuel cell unit
1111
Brennstoffzellefuel cell
1212
Brennstoffzellenmembranfuel cell membrane
1313
Katalysatorschicht auf Anodenseitecatalyst layer on anode side
1414
GasdiffusionsschichtGas diffusion layer
1515
Anodenraumanode chamber
1616
Katalysatorschicht auf Kathodenseitecatalyst layer on cathode side
1717
GasdiffusionsschichtGas diffusion layer
1818
Kathodenraumcathode space
2020
Elektrodenpasteelectrode paste
2121
Substratsubstratum
2222
Siebscree
2323
Rakeldoctor
2424
Auftragrichtungapplication direction

Claims (12)

Verfahren zur Herstellung einer Katalysatorschicht (13, 16) für elektrochemische Zellen, insbesondere für Hochtemperatur-Brennstoffzellen (11) mit einer Polymermembran, mittels Siebdruck, wobei eine Elektrodenpaste (20) auf ein Substrat (21) aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenpaste (20) unter einem Rakeldruck auf das Substrat (21) aufgetragen wird, unter Temperatureinwirkung oberhalb von Raumtemperatur getrocknet und die getrocknete Katalysatorschicht (13, 16) mit einer Säure getränkt wird.Process for the preparation of a catalyst layer ( 13 . 16 ) for electrochemical cells, in particular for high-temperature fuel cells ( 11 ) with a polymer membrane, by screen printing, wherein an electrode paste ( 20 ) on a substrate ( 21 ) is applied, characterized in that the electrode paste ( 20 ) under a squeegee pressure on the substrate ( 21 ), dried under the action of temperature above room temperature and the dried catalyst layer ( 13 . 16 ) is soaked in an acid. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rakeldruck mindestens 3 bar beträgt.Method according to claim 1, characterized in that that the squeegee pressure is at least 3 bar. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Druckdurchgängen beim Auftragen der Elektrodenpaste (20) höchstens drei beträgt.A method according to claim 1 or 2, characterized in that a number of printing passes during application of the electrode paste ( 20 ) is at most three. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Flut- und Druckwiederholungen pro Druckdurchgang zwischen 2 und 5 liegt.Method according to claim 3, characterized that the number of flood and pressure repeats per print run between 2 and 5 lies. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das beschichtete Substrat (21) unter Vakuum bei einer ersten Trocknungstemperatur von mehr als 100° C getrocknet wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the coated substrate ( 21 ) is dried under vacuum at a first drying temperature of more than 100 ° C. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Trocknungstemperatur mindestens 12 Stunden einwirkt.Method according to claim 5, characterized in that that the first drying temperature acts for at least 12 hours. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Säure getränkte Katalysatorschicht (13, 16) bei einer zweiten Trocknungstemperatur getrocknet wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the acid-impregnated catalyst layer ( 13 . 16 ) is dried at a second drying temperature. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Trocknungstemperatur abhängig von einer Katalysatorbeladung eines der Katalysatorschicht (13, 16) beigemischten Katalysatormaterials eingestellt wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the second drying temperature depends on a catalyst loading of the catalyst layer ( 13 . 16 ) is admixed with the catalyst material. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung abhängig von einer Katalysatorbeladung im Vakuum oder unter Normalatmosphäre erfolgt.Method according to at least one of claims 7 or 8, characterized in that the drying depends on a catalyst loading in a vacuum or under normal atmosphere takes place. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer hohen Katalysatorbeladung die Katalysatorschicht (13, 16) unter Unterdruck getrocknet wird.A method according to claim 9, characterized in that at a high catalyst loading, the catalyst layer ( 13 . 16 ) is dried under reduced pressure. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer geringen Katalysatorbeladung des Katalysatormaterials mit die zweite Trocknungstemperatur höher ist als bei einer hohen Katalysatorbeladung des Katalysatormaterials.Method according to at least one of claims 8 to 10, characterized in that at a low catalyst loading the catalyst material with the second drying temperature is higher than at a high catalyst loading of the catalyst material. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Trocknungstemperatur für eine geringe Katalysatorbeladung größer als 100°C und für eine hohe Katalysatorbeladung kleiner als 100°C ist.Method according to at least one of claims 8 to 11, characterized in that the second drying temperature for one low catalyst loading greater than 100 ° C and for one high catalyst loading is less than 100 ° C.
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