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DE10141647B4 - Process for producing a membrane-electrode assembly and its use - Google Patents

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DE10141647B4
DE10141647B4 DE10141647A DE10141647A DE10141647B4 DE 10141647 B4 DE10141647 B4 DE 10141647B4 DE 10141647 A DE10141647 A DE 10141647A DE 10141647 A DE10141647 A DE 10141647A DE 10141647 B4 DE10141647 B4 DE 10141647B4
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screen printing
solvent
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pastes
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Bernd Dr. Rohland
Barbara Dipl.-Ing. Roth
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Hiat Ggmbh 19061 Schwerin De
Original Assignee
H I A T GGMBH
Hiat Ggmbh
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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit, umfassend die Schritte
a) Quellenlassen einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) durch Befeuchten in einem Lösungsmitteldampf,
b) beidseitiges Bedrucken der gequollenen PEM mittels Siebdruck mit einer thixotropen Siebdruckpaste für die Kathodenseite einerseits sowie einer thixotropen Siebdruckpaste für die Anodenseite andererseits, wobei die Siebdruckpasten jeweils Edelmetall-Katalysatorpulver, Kohlepulver als Katalysatorträger, Polymer-Elektrolyt (PE) und eine Lösungsmittelmittelmischung aus Wasser und organischem Lösungsmittel enthalten, und wobei der Feststoffanteil der Siebdruckpasten auf den Bereich von 25 bis 40 Gew.-% und der Wasseranteil in der Lösungsmittelmischung auf 20 bis 50 Vol.-% eingestellt werden, und
c) Tempern der beidseitig bedruckten PEM zur Entfernung von Lösungsmittel unter Ausbildung abriebfester poröser Elektrodenschichten auf der PEM.A method of making a membrane-electrode assembly comprising the steps
a) swelling a polymer electrolyte membrane (PEM) by wetting in a solvent vapor,
b) double-sided printing of the swollen PEM by screen printing with a thixotropic screen printing paste for the cathode side on the one hand and a thixotropic screen printing paste for the anode side on the other hand, the screen printing pastes each noble metal catalyst powder, carbon powder as a catalyst support, polymer electrolyte (PE) and a solvent mixture of water and organic solvent, and wherein the solids content of the screen printing pastes in the range of 25 to 40 wt .-% and the water content in the solvent mixture are adjusted to 20 to 50 vol .-%, and
c) Annealing the double-sided printed PEM to remove solvent to form abrasion-resistant porous electrode layers on the PEM.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit für Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Zellen sowie die Verwendung der so hergestellten Membran-Elektroden-Einheit für eine PEM-Brennstoffzelle oder eine PEM-Elektrolysezelle. PEM-Brennstoffzellen sowie PEM-Elektrolysezellen dienen der effizienten und umweltschonenden Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie sowie der Anwendung der Wasserstofftechnologie. Eine Basiskomponente solcher Zellen ist eine Membran-Elektroden-Einheit bestehend aus einer Elektrode-PEM-Elektrode-Verbundeinheit, welche bei PEM-Brennstoffzellen aus Wasserstoffanode-PEM-Luftkathode oder Methanolanode-PEM-Luftkathode, und bei PEM-Elektrolysezellen aus Wasserstoffkathode-PEM-Sauerstoffanode oder Luftkathode-PEM-Sauerstoffanode bestehen kann.The The present invention relates to a process for the preparation of a Membrane electrode unit for Polymer electrolyte membrane (PEM) cells as well as the use of the thus produced membrane electrode assembly for a PEM fuel cell or a PEM electrolysis cell. PEM fuel cells and PEM electrolysis cells serve the efficient and environmentally friendly production of heat and electrical energy as well as the application of hydrogen technology. A basic component of such cells is a membrane-electrode assembly consisting of an electrode-PEM electrode composite unit, which in PEM fuel cells from hydrogen anode PEM air cathode or Methanol anode PEM air cathode, and in PEM electrolysis cells Hydrogen cathode PEM oxygen anode or air cathode PEM oxygen anode can exist.

Stand der TechnikState of the art

Es ist bekannt, daß man Luftkathoden und Wasserstoffanoden durch Heißpressen einer 20 μm dünnen Platin/Kohlenstoff-Polymer-Elektrolyt(Pt/C-PE)-Schicht herstellen kann, die auf einem Teflon-Blank erzeugt wurde. Hierbei handelt es sich jedoch um ein Laborverfahren, das den Nachteil aufweist, partielle Pyrolyseprodukte in den Elektroden zu erzeugen, die umständlich entfernt werden müssen, beispielsweise durch Auskochen.It it is known that one Air cathodes and hydrogen anodes by hot pressing a 20 micron thin platinum / carbon polymer electrolyte (Pt / C-PE) layer produce can, which was produced on a teflon blank. This acts but it is a laboratory method that has the disadvantage To produce partial pyrolysis in the electrodes, which removes awkward Need to become, for example, by boiling.

Weiterhin ist bekannt, daß man Methanolanoden durch Aufsprühen einer Pt/Ru-PE-Lösemitteltinte direkt auf die in einem Rahmen eingespannte PEM mit anschließendem Tempern bei 130°C herstellen kann. Gleiches gilt für Pt-PE-Kathoden. Dieses Verfahren erfordert jedoch einen erhöhten Pt/Ru- bzw. Pt-Verbrauch und garantiert keine gleichmäßige Schichtdicke der Elektroden.Farther it is known that one Methanol anodes by spraying a Pt / Ru-PE solvent ink directly on the frame clamped PEM followed by annealing at 130 ° C can produce. The same applies to Pt PE cathodes. However, this method requires increased Pt / Ru and Pt consumption and guarantees no uniform layer thickness the electrodes.

Außerdem ist bekannt, daß man gleichmäßige Schichtdicken durch Siebdruck von Pasten auf Folien herstellen kann. Entsprechende Siebdruckpasten enthalten Feststoffanteile von größer 50% und Dispersionsmittel, die nur bei höherer Temperatur als der gewöhnlich angewandten Temper-Temperatur von 130°C bzw. durch anschließendes Auskochen entfernt werden können. Andernfalls ist die Funktion des Edelmetallkatalysators der Elektroden nicht gewährleistet, weil dieser durch nicht vollständig entfernbare Zusatzstoffe, wie Dispersionsmittel, zur Elektrodenpaste vergiftet wird. Siebdruckfähige Pasten aus Pt/Ru-, Pt- oder Ir-PE lassen sich ohne schädliche Zusatzstoffe bislang nicht herstellen, da infolge des geringen Feststoffanteils nur eine Tinten-Suspension entsteht. Ursache dafür ist die nicht vorhandene Thixotropie derartiger Edelmetall/PE-Suspensionen.Besides that is known that one uniform layer thicknesses by screen printing of pastes on slides can produce. Appropriate Screen printing pastes contain solids of greater than 50% and Dispersants only at higher Temperature than usual applied tempering temperature of 130 ° C or by subsequent boiling can be removed. Otherwise, the function of the noble metal catalyst of the electrodes is not guaranteed because this is not complete removable additives, such as dispersing agent, to the electrode paste is poisoned. Screen-printable pastes from Pt / Ru, Pt or Ir-PE can be without harmful additives so far do not produce, since due to the low solids content only one Ink suspension is formed. The cause for this is the nonexistent Thixotropy of such noble metal / PE suspensions.

Die EP 0 945 910 A2 beschreibt eine Membran-Elektroden-Einheit für eine PEM-Brennstoffzelle, wobei es ein wesentliches Merkmal der Katalysator-Reaktionsschichten ist, dass sie eine inhomogene Mikrostruktur aufweisen. Dies wird dadurch erreicht, dass zunächst zwei verschiedene Tinten angefertigt werden. Die Tinte A enthält den Katalysator in einer Lösung aus einem Ionomer in einem Lösungsmittel A. Die Tinte B enthält Katalysator und ein Lösungsmittel B, wobei die Lösungsmittel A und B nicht miteinander mischbar sind und Lösungsmittel B kein Lösevermögen für das Ionomer aufweist. Tinte A und B werden zu einer gemeinsamen Tinte C vereinigt. Nach dem Homogenisieren von Tinte C wird eine PEM mit Tinte C beschichtet, beispielsweise durch ein Siebdruckverfahren.The EP 0 945 910 A2 describes a membrane-electrode assembly for a PEM fuel cell, wherein it is an essential feature of the catalyst reaction layers that they have an inhomogeneous microstructure. This is achieved by first making two different inks. The ink A contains the catalyst in a solution of an ionomer in a solvent A. The ink B contains catalyst and a solvent B, wherein the solvents A and B are not miscible with each other and solvent B has no solvency for the ionomer. Ink A and B are combined into a common ink C. After homogenizing ink C, a PEM is coated with ink C, for example by a screen printing process.

Die DE 33 34 330 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Elektroden-Membran-Einheit für Wasserstoff/Brom-Zellen, wobei es ein wesentliches Merkmal ist, dass pulverförmiges Katalysatormaterial in einer Lösung von PVC in einem organischen, mit Wasser mischbaren Lösungsmittel suspendiert wird, wobei der Anteil an PVC 5–15 Gew.-% betragen muss. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird eine leicht verstreichbare Masse aus pulverförmigem Katalysatormaterial in einer Lösung von PVC in THF mittels eines Pinsels auf eine durchfeuchtete Kationenaustauschermembran aufgetragen. Zur guten Durchfeuchtung war die Membran ca. 30 Minuten in Wasser gekocht und anschließend von anhaftenden Wassertropfen befreit worden.The DE 33 34 330 A1 describes a method for producing a hydrogen / bromine cell electrode-membrane unit, wherein it is an essential feature that powdered catalyst material is suspended in a solution of PVC in an organic, water-miscible solvent, the proportion of PVC being 5 Must be -15 wt .-%. According to the embodiment, an easily spreadable mass of powdered catalyst material in a solution of PVC in THF is applied by means of a brush to a moistened cation exchange membrane. For good moisture, the membrane was boiled for about 30 minutes in water and then freed from adhering drops of water.

Die EP 0 820 077 A2 beschreibt eine bipolare Elektroden-Elektrolyt-Einheit für eine elektrochemische Zelle. Gemäß Beispiel 15 wird zur Herstellung einer Aktivschicht eine Katalysator-Nafionlösung und Wasser enthaltende Paste mittels Siebdruck auf eine Elektrode aufgebracht, wobei zur besseren Benutzung die Elektrode vorher mit einer Alkohol-Wassermischung befeuchtet werden kann.The EP 0 820 077 A2 describes a bipolar electrode-electrolyte unit for an electrochemical cell. According to Example 15, a catalyst Nafionlösung and water-containing paste is applied by screen printing on an electrode to produce an active layer, for better use, the electrode can be moistened beforehand with an alcohol-water mixture.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur serienmäßigen und kostengünstigen Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit für PEM-Zellen vorzusehen, welches die Nachteile der bekannten Verfahren nicht aufweist und insbesondere eine homogene und gleichmäßige Elektroden-Schichtdicke gewährleistet.Of the Invention is therefore the object of a method for standard and inexpensive To provide a membrane electrode assembly for PEM cells, which does not have the disadvantages of the known methods and in particular a homogeneous and uniform electrode layer thickness guaranteed.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.These The object is achieved by a method according to claim 1. Advantageous embodiments of the method according to the invention are in the subclaims specified.

Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls die Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten Membran-Elektroden-Einheit für eine PEM-Brennstoffzelle oder eine PEM-Elektrolysezelle.object The invention likewise relates to the use of the membrane-electrode assembly produced according to the invention for one PEM fuel cell or a PEM electrolysis cell.

Erfindungsgemäß hat sich überraschenderweise gezeigt, daß es möglich ist, das an sich bekannte und produktive Siebdruckverfahren zur Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten für PEM-Zellen einzusetzen, sofern es gelingt, thixotrope Siebdruckpasten für die Elektroden vorzusehen. Hierbei hat sich gemäß der Erfindung weiterhin gezeigt, daß zum Teil extrem thixotrope Siebdruckpasten erhalten werden durch Dispergieren von Edelmetall-Katalysatorpulver, Kohlepulver als Katalysatorträger und Polymer-Elektrolyt in einer Lösungsmittelmischung aus Wasser und organischem Lösungsmittel. Gemäß der Erfindung werden die thixotropen Siebdruckpasten vorzugsweise durch Dispergieren von Edelmetall-Katalysatorpulver und Kohlepulver in einer PE-Lösung in der Lösungsmittelmischung mittels Rühren unter Ultraschalleinwirkung hergestellt. Die hierbei erhaltene Paste bleibt nach dem Rühren steif, verflüssigt sich jedoch wieder unter Druckeinwirkung.Surprisingly, according to the invention shown that it possible is the well-known and productive screen printing process for Manufacture of membrane-electrode assemblies for PEM cells, provided it is possible to provide thixotropic screen printing pastes for the electrodes. in this connection has become according to the invention furthermore shown that to Part of extremely thixotropic screen printing pastes are obtained by dispersing of noble metal catalyst powder, carbon powder as a catalyst carrier and Polymer electrolyte in a solvent mixture from water and organic solvents. According to the invention For example, the thixotropic screen printing pastes are preferably dispersed by dispersing of noble metal catalyst powder and carbon powder in a PE solution in the solvent mixture by stirring produced under the action of ultrasound. The resulting paste stays after stirring stiff, liquefied but again under pressure.

Als Edelmetall für das Katalysatorpulver werden die herkömmlicherweise eingesetzten Edelmetalle eingesetzt, insbesondere Platin, Iridium, Rhutenium oder Legierungen hiervon als auch ternäre Platinlegierungen. Die Auswahl der Edelmetall-Katalysatorpulver richtet sich nach der Art der herzustellenden Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle. Solche Katalysatorpulver sind im Handel erhältlich und weisen beispielsweise eine innere Oberfläche nach BET von 25 bis 75 m2/g auf. Die Teilchengröße kann unterschiedlich sein, liegt jedoch typischerweise im Bereich von etwa 1 μm.The noble metals used for the catalyst powder are the conventionally used noble metals, in particular platinum, iridium, ruthenium or alloys thereof as well as ternary platinum alloys. The selection of the noble metal catalyst powder depends on the type of fuel cell or electrolysis cell to be produced. Such catalyst powders are commercially available and have for example a BET inner surface area of from 25 to 75 m 2 / g. The particle size may vary, but is typically in the range of about 1 micron.

Als Kohlepulver wird vorzugsweise ein solches mit einer größeren inneren Oberfläche, vorzugsweise einer inneren Oberfläche nach BET von 200 bis 250 m2/g eingesetzt, wobei die Teilchengröße im Bereich von 0,2 bis 2,0 μm liegen kann. Auch solche Kohlepulver sind im Handel erhältlich.The carbon powder used is preferably one having a larger inner surface area, preferably an inner BET surface area of from 200 to 250 m 2 / g, it being possible for the particle size to be in the range from 0.2 to 2.0 μm. Also such carbon powders are commercially available.

Als fester Polymer-Elektrolyt (PE) für die Anwendung in Brennstoffzellen hat sich insbesondere Perfluorethylenpolysulfonsäure bewährt, das im Handel unter der Bezeichnung Nafion® in Folien- oder Schnipselform oder auch als 5–20 gewichtsprozentige Lösung in beispielsweise Ethanol/Isopropanol/Wasser erhältlich ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese PE-Materialien beschränkt. Andere PE-Materialien, wie Polysulfone, können ebenfalls eingesetzt werden.As a solid polymer electrolyte (PE) for use in fuel cells in particular perfluoroethylene has proven, which is commercially available under the name Nafion ® in foil or Schnipselform or as a 5-20 weight percent solution in, for example, ethanol / isopropanol / water. However, the invention is not limited to these PE materials. Other PE materials, such as polysulfones, can also be used.

Der Feststoffanteil der erfindungsgemäß eingesetzten thixotropen Siebdruckpasten liegt im Bereich von 25 bis 40 Gew.-%. Hierbei betragen die Anteile des Katalysatorpulvers und Kohlepulvers vorzugsweise jeweils 5 bis 50%, weiter vorzugsweise etwa 30%, jeweils bezogen auf das Gewicht des Gesamtfeststoffgehaltes der Siebdruckpaste. Zur Erzielung einer Siebdruckpaste mit guter Eignung beträgt das Gewichtsverhältnis von Katalysatorpulver zu Polymer-Elektrolyt vorzugsweise etwa 1:1 bis 1:2. Der Gesamtfeststoffgehalt einer typischen Siebdruckpaste beträgt beispielsweise 30 Gew.-%, wobei jeweils gleiche Teile auf Katalysatorpulver, Kohlepulver und Polymer-Elektrolyt entfallen. Anstelle eines Kohlepulvers kann auch ein mit Edelmetall beschichtetes Kohlepulver, beispielsweise ein Kohlepulver mit geringer Platinbelegung verwendet werden.Of the Solid content of the thixotropic invention used Screen printing pastes are in the range of 25 to 40 wt .-%. This amount the proportions of the catalyst powder and carbon powder preferably in each case from 5 to 50%, more preferably about 30%, in each case on the weight of the total solids content of the screen printing paste. To obtain a screen printing paste with good suitability, the weight ratio of Catalyst powder to polymer electrolyte preferably about 1: 1 to 1: 2. The total solids content of a typical screen printing paste is, for example 30 wt .-%, wherein in each case the same parts on catalyst powder, carbon powder and polymer electrolyte omitted. Instead of a coal powder can also a noble metal coated carbon powder, for example a carbon powder with low platinum occupancy can be used.

Die Lösungsmittelmischung der Siebdruckpaste besteht aus Wasser und einem organischen Lösungsmittel. Als organisches Lösungsmittel eignen sich aliphatische Alkohole und Ester niedrigmolekularer Carbonsäuren, insbesondere eine Ethanol/Isopropanol-Mischung. Der Wasseranteil in der Lösungsmittelmischung wird auf 20 bis 50 Vol.-% eingestellt. Die Auswahl des aliphatischen Alkohols bzw. des Mischungsverhältnisses der organischen Lösungsmittel zueinander bzw. von organischem Lösungsmittel zu Wasser richtet sich nach der Art und Menge der für die Siebdruckpaste zu verwendenden Aus gangsmaterialien sowie des erwünschten Thixotropiegrades. Die optimale Auswahl der Lösungsmittelmischung kann vom Fachmann anhand von Routineversuchen ermittelt werden.The Solvent mixture The screen printing paste consists of water and an organic solvent. As an organic solvent are aliphatic alcohols and esters of low molecular weight carboxylic acids, in particular an ethanol / isopropanol mixture. The proportion of water in the solvent mixture is set to 20 to 50% by volume. The choice of aliphatic Alcohol or the mixing ratio the organic solvent to each other or organic solvent to water depends on the type and amount of the screen printing paste to be used starting materials and the desired Thixotropiegrades. The optimum choice of solvent mixture can be from Be determined by a specialist on the basis of routine experiments.

Ein weiteres wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die PEM vor dem Siebdrucken durch Befeuchten in einem Lösungsmitteldampf quellengelassen wird. Dies ermöglicht ein verziehungsfreies Siebdrucken auf der PEM. Es hat sich nämlich gezeigt, daß eine trockene PEM Lösungsmittel, wie Alkohol, Dispersionsmittel oder Wasser aufsaugt und dabei quillt. Bei einseitiger Berührung der PEM mit Lösungsmittel wird daher ein Verziehen und Welligwerden der PEM verursacht, wodurch ein konturgenauer Siebdruck unmöglich wird. Durch das erfindungsgemäß angewandte, vorausgehende Befeuchten wird jedoch das Ansaugen der Siebdruckschicht ohne starke Quellung der PEM ermöglicht. Vorzugsweise wird für das Quellenlassen der PEM das gleiche organische Lösungsmittel wie für die Siebdruckpasten eingesetzt.One Another essential feature of the method according to the invention is that the PEM swelled prior to screen printing by moistening in a solvent vapor becomes. this makes possible a distortion-free screen printing on the PEM. It has been shown that one dry PEM solvents, such as alcohol, dispersing agent or water absorbs and swells. With one-sided contact the PEM with solvent Therefore, a distortion and waviness of the PEM is caused, whereby a contour accurate screen printing is impossible. By the invention applied, however, prior moistening becomes the suction of the screen printing layer without strong swelling of the PEM allows. Preferably is for swelling the PEM the same organic solvent as for used the screen printing pastes.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird weiterhin vorzugsweise so vorgegangen, daß beim Siebdrucken zuerst eine Seite der PEM bedruckt wird, danach die einseitig bedruckte Membran an der Luft getrocknet und anschließend die andere Seite bedruckt wird.At the inventive method is further preferably proceeded so that in screen printing first a Printed on the side of the PEM, then the one-sided printed membrane dried in air and then printed on the other side becomes.

Im Anschluß an das Siebdrucken wird die beidseitig bedruckte PEM erfindungsgemäß einer Temperung unterzogen, zur Entfernung von Lösungsmittel und unter Ausbildung abriebfester, poröser Elektrodenschichten. Beim Verdampfen des Lösungsmittels versintern die Katalysatorpartikel miteinander und mit den Kohlepartikeln, wobei auf diese poröse Kohle-Katalysator-Sinterschicht ein Film aus dem gelösten Polymer-Elektrolyt der Paste aufzieht und sich mit der PEM verbindet. Die hierbei erzielten abriebfesten, porösen Elektrodenschichten zeigen gute Elektronenleitfähigkeit der Kohle-Katalysator-Sinterschicht sowie gute Protonenleitfähigkeit in dem die Kohle-Katalysator-Partikel umhüllenden PE-Film einschließlich der Verbindung PE-Film/PEM. Das Tempern wird vorzugsweise bei Temperaturen von 120°C bis 140°C, weiter vorzugsweise etwa 130°C, während eines Zeitraums von 5 bis 30 Minuten, weiter vorzugsweise 15 bis 25 Minuten, im Vakuum durchgeführt. Bei diesen Temperaturen erfolgt gleichzeitig eine Umwandlung des Polymer-Elektrolyts in eine wasserunlösliche Form, welche für die Anwendung in Brennstoffzellen und Elektrolysezellen erforderlich ist. Vorzugsweise erfolgt das Tempern bei den angegebenen Temperaturen mittels Infrarot-Strahlern.Subsequent to screen printing, the PEM printed on both sides is subjected to heat treatment in accordance with the invention, to remove solvent and to make it more abrasion-resistant, porous these electrode layers. Upon evaporation of the solvent, the catalyst particles sinter together with each other and with the carbon particles, onto which porous carbon-catalyst sintered layer a film of the dissolved polymer electrolyte of the paste is attached and combines with the PEM. The abrasion-resistant, porous electrode layers achieved here show good electron conductivity of the carbon-catalyst sintered layer and good proton conductivity in the PE-film enveloping the carbon-catalyst particles, including the PE-film / PEM compound. The annealing is preferably carried out at temperatures of 120 ° C to 140 ° C, more preferably about 130 ° C, for a period of 5 to 30 minutes, more preferably 15 to 25 minutes, in vacuum. At these temperatures, a conversion of the polymer electrolyte into a water-insoluble form, which is required for use in fuel cells and electrolysis cells, takes place at the same time. Preferably, the annealing is carried out at the indicated temperatures by means of infrared radiators.

Das erfindungsgemäße Befeuchtungs-Siebdruck-Temperverfahren ermöglicht somit die Herstellung abriebfester, hochporöser Elektroden mit Elektronenleitung durch das Edelmetall und die Kohle sowie Protonenleitung durch die PE-Filme bis zur PEM. Die Elektrodenschichtdicken betragen üblicherweise 10 bis 20 μm, vorzugsweise etwa 10 ± 1 μm.The Humidification screen printing tempering method according to the invention allows thus the production of abrasion-resistant, highly porous electrodes with electron conduction through the precious metal and the coal as well as proton conduction through the PE films up to PEM. The electrode layer thicknesses are usually 10 to 20 μm, preferably about 10 ± 1 μm.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer Pt-C/PE-Membran/Pt-Ru-C-Direkt-Methanolbrennstoffzelle erläutert werden.The Invention is intended to an embodiment for producing a Pt-C / PE membrane / Pt-Ru-C direct methanol fuel cell explained become.

Der auf Zellgröße von 5–15 cm passend geschnittene PE-Membranstreifen wird eine Stunde bei 25°C in einer Befeuchtungskammer in Ethanol/Isopropanol-Dampf quellen gelassen und danach in einen Siebdruckautomaten eingelegt der mit zwei Elektrodenpasten gefüllt ist: Pt-Kohle-PE-Paste für die Kathode und Pt/Ru-Kohle-PE-Paste für die Anode.Of the suitable for cell size of 5-15 cm cut PE membrane strip is in an hour at 25 ° C in one Humidification chamber allowed to swell in ethanol / isopropanol vapor and then placed in a screen printing machine with two electrode pastes filled is: Pt carbon PE paste for the cathode and Pt / Ru carbon PE paste for the anode.

Beide Pasten werden durch Dispergieren von feinstem Pt-Katalysatorpulver oder Pt/Ru-Katalysatorpulver mit Katalysatorträger-Kohlepulver in 5%iger PE-Lösung mittels Rühren und Ultraschall so hergestellt, daß nach dem Rühren eine steife Paste entsteht.Both Pastes are made by dispersing the finest Pt catalyst powder or Pt / Ru catalyst powder with catalyst support carbon powder in 5% PE solution by means of stir and ultrasound prepared so that after stirring stiff paste is formed.

Nach dem kathodenseitigen Druck wird der mehrfach bedruckte PE-Membranstreifen nach 3 Minuten an Luft gewendet und anodenseitig mit Pt/Ru-Kohle-PE-Paste bedruckt.To the cathode-side pressure is the multiply printed PE membrane strip turned to air after 3 minutes and printed on the anode side with Pt / Ru carbon-PE paste.

Danach werden die nun fertigen PEM-Zelleinheiten auf dem Zellstreifen auf Größe geschnitten, zwischen porösen Sinterkorundplatten platziert und 25 Minuten mittels IR-Strahler bei 130°C unter Vakuum getempert. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur, bei dem die PEM-Zelleinheiten zwischen den Sinterkorundplatten verbleiben, werden sie mit Kohle-Diffusionslagen, Bipolarplatten, Endplatten und Gaszuführungen zur PEM-Brennstoffzelle montiert. Die erhaltenen Elektrodenschichten waren sehr homogen und wiesen eine gleichmäßige Schichtdicke auf.After that become the now finished PEM cell units on the cell strip Cut size, between porous Sintered corundum plates placed and 25 minutes by means of IR emitters at 130 ° C annealed under vacuum. After cooling to room temperature, at the PEM cell units remain between the sintered corundum plates, They are used with carbon diffusion layers, bipolar plates, and endplates gas supplies mounted to the PEM fuel cell. The obtained electrode layers were very homogeneous and had a uniform layer thickness.

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit, umfassend die Schritte a) Quellenlassen einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) durch Befeuchten in einem Lösungsmitteldampf, b) beidseitiges Bedrucken der gequollenen PEM mittels Siebdruck mit einer thixotropen Siebdruckpaste für die Kathodenseite einerseits sowie einer thixotropen Siebdruckpaste für die Anodenseite andererseits, wobei die Siebdruckpasten jeweils Edelmetall-Katalysatorpulver, Kohlepulver als Katalysatorträger, Polymer-Elektrolyt (PE) und eine Lösungsmittelmittelmischung aus Wasser und organischem Lösungsmittel enthalten, und wobei der Feststoffanteil der Siebdruckpasten auf den Bereich von 25 bis 40 Gew.-% und der Wasseranteil in der Lösungsmittelmischung auf 20 bis 50 Vol.-% eingestellt werden, und c) Tempern der beidseitig bedruckten PEM zur Entfernung von Lösungsmittel unter Ausbildung abriebfester poröser Elektrodenschichten auf der PEM.Method of making a membrane-electrode assembly comprising the steps a) Swelling a Polymer Electrolyte Membrane (PEM) by moistening in a solvent vapor, b) double-sided printing of the swollen PEM by screen printing with a thixotropic screen printing paste for the cathode side on the one hand and a thixotropic screen printing paste for the anode side on the other hand, the screen-printing pastes in each case noble metal catalyst powder, Carbon powder as a catalyst carrier, Polymer electrolyte (PE) and a solvent mixture of Water and organic solvent and wherein the solids content of the screen printing pastes on the range of 25 to 40 wt .-% and the water content in the solvent mixture to 20 to 50 vol.% be set, and c) tempering the double-sided printing PEM for solvent removal forming abrasion-resistant porous electrode layers the PEM. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die thixotropen Siebdruckpasten durch Dispergieren von Edelmetall-Katalysatorpulver und Kohlepulver in einer PE-Lösung in der Lösungsmittelmischung mittels Rühren unter Ultraschalleinwirkung hergestellt werden.The method of claim 1, wherein the thixotropic Screen printing pastes by dispersing noble metal catalyst powder and carbon powder in a PE solution in the solvent mixture by stirring be produced under the action of ultrasound. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Edelmetall-Katalysatorpulver aus Platin, Iridium, Rhutenium oder Legierungen hiervon eingesetzt werden.The method of claim 1 or 2, wherein noble metal catalyst powder made of platinum, iridium, ruthenium or alloys thereof become. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als organische Lösungsmittel für die Siebdruckpasten aliphatische Alkohole und Ester niedrigmolekularer Carbonsäuren eingesetzt werden.Method according to at least one of the preceding Claims, being as organic solvent for the Screen printing pastes aliphatic alcohols and esters low molecular weight Carboxylic acids used become. Verfahren nach Anspruch 4, wobei als organisches Lösungsmittel eine Ethanol/Isopropanol-Mischung eingesetzt wird.Process according to claim 4, wherein as organic solvent an ethanol / isopropanol mixture is used. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für das Quellenlassen der PEM das gleiche organische Lösungsmittel wie für die Siebdruckpasten eingesetzt wird.Method according to at least one of the preceding claims, wherein for the source of the PEM, the same organic solvent as is used for the screen printing pastes. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei beim Schritt b) zuerst eine Seite der PEM bedruckt wird, danach die einseitig bedruckte Membran an der Luft getrocknet und anschließend die andere Seite bedruckt wird.Method according to at least one of the preceding Claims, wherein in step b) first one side of the PEM is printed, thereafter the one-sided printed membrane dried in air and then the other side is printed. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Tempern beim Schritt c) bei Temperaturen von 120°C bis 140°C, vorzugsweise etwa 130°C, während eines Zeitraums von 5 bis 30 Minuten, vorzugsweise 15 bis 25 Minuten, im Vakuum durchgeführt wird.Method according to at least one of the preceding Claims, wherein the annealing in step c) at temperatures of 120 ° C to 140 ° C, preferably about 130 ° C, while a period of 5 to 30 minutes, preferably 15 to 25 minutes, performed in a vacuum becomes. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Tempern beim Schritt c) mittels Infrarot-Strahlern erfolgt.Method according to at least one of the preceding Claims, wherein the annealing in step c) takes place by means of infrared radiators. Verwendung einer gemäß den vorangehenden Ansprüchen hergestellten Membran-Elektroden-Einheit für eine PEM-Brennstoffzelle oder eine PEM-Elektrolysezelle.Use of a product prepared according to the preceding claims Membrane electrode unit for a PEM fuel cell or a PEM electrolysis cell.
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