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DE60205090T2 - Verfahren zur Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten unter Verwendung von mit katalysator beschichteten Membranen und Klebstoffen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten unter Verwendung von mit katalysator beschichteten Membranen und Klebstoffen Download PDF

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DE60205090T2
DE60205090T2 DE60205090T DE60205090T DE60205090T2 DE 60205090 T2 DE60205090 T2 DE 60205090T2 DE 60205090 T DE60205090 T DE 60205090T DE 60205090 T DE60205090 T DE 60205090T DE 60205090 T2 DE60205090 T2 DE 60205090T2
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DE
Germany
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membrane
catalyst
adhesive component
gas diffusion
coated
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DE60205090T
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Dr. Joachim Köhler
Knut Fehl
Anita Krämer
Sandra Wittpahl
Klaus Schaack
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Umicore AG and Co KG
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Description

  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektrochemischen Zellen und Brennstoffzellen, noch spezifischer Polymer-Elektrolyt-Membran-(PEM)-Brennstoffzellen und beschreibt ein Verfahren für die Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten („MEE"). Die MEE werden auf neue, äußerst kostengünstige Weise durch Kombinieren von katalysatorbeschichteten Membranen („CCM") mit zwei Gasdiffusionsschichten („GDL") hergestellt.
  • Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel an zwei räumlich getrennten Elektroden in Elektrizität, Wärme und Wasser um. Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas kann als Brennstoff und Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel verwendet werden. Der Energieumwandlungsvorgang in der Brennstoffzelle zeichnet sich durch eine besonders hohe Effizienz aus. Aus diesem Grund nehmen Brennstoffzellen als Alternative zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren ständig an Bedeutung zu. Des Weiteren werden sie in stationären kombinierten Wärme- und Stromeinheiten („CHP-units") sowie bei tragbaren Anwendungen verwendet.
  • Die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) und die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC), eine Variation der PEMFC, die direkt durch Methanol anstatt mit Wasserstoff angetrieben wird, eignen sich auf Grund ihrer kompakten Konstruktion, ihrer Leistungsdichte und hohen Effizienz zur Verwendung als Energieumwandler. Die Brennstoffzellentechnologie ist in der Literatur breit beschrieben, vergleiche hierzu beispielsweise K. Kordesch und G. Simader, „Fuel Cells and its Applications" (Brennstoffzellen und ihre Anwendungen), VCH Verlag Chemie, Weinheim (Deutschland), 1996.
  • Im folgenden Abschnitt werden die in der vorliegenden Patentanmeldung verwendeten technischen Ausdrücke in weiteren Einzelheiten beschrieben:
    Eine katalysatorbeschichtete Membran, im Folgenden mit „CCM" (für engl. „catalyst-coated membrane") abgekürzt, besteht aus einer Polymer-Elektrolyt-Membran, die auf beiden Seiten mit einer katalytisch aktiven Schicht versehen ist. Eine der Schichten hat die Form einer Anode für die Oxidation von Wasserstoff und die zweite Schicht hat die Form einer Kathode für die Reduktion von Sauerstoff. Da die CCM aus drei Schichten (Anodenkatalysatorschicht, Ionomer-Membran und Kathodenkatalysatorschicht) besteht, wird sie oft als „dreischichtige MEE" bezeichnet.
  • Gasdiffusionsschichten („GDL" für engl. „gas diffusion layer"), die manchmal als Gasdiffusionssubstrate oder „Backings" bezeichnet werden, werden auf die Anoden- und Kathodenschichten der CCM aufgebracht, um die gasförmigen Reaktionsmedien (Wasserstoff und Luft) an die katalytisch aktiven Schichten heranzubringen und gleichzeitig einen elektrischen Kontakt herzustellen. GDLs sind gewöhnlich Substrate auf Kohlenstoffbasis, wie beispielsweise Kohlenstofffaserpapier oder Kohlenstoffgewebe, die äußerst porös sind und den Reaktionsgasen einen guten Zugang zu den Elektroden gestatten. Des Weiteren sind sie hydrophob, um das Produktwasser aus der Brennstoffzelle zu entfernen. GDLs können mit einer Mikroschicht beschichtet werden, um den Kontakt mit der Membran zu verbessern. Sie können spezifisch auf GDLs vom Anodentyp oder GDLs vom Kathodentyp zugeschnitten werden, je nachdem, auf welcher Seite sie in eine MEE eingebaut sind. Des Weiteren können sie mit einer Katalysatorschicht für das darauffolgende Laminieren auf die Ionomer-Membran beschichtet werden.
  • Diese mit Katalysator beschichteten GDLs werden häufig als „katalysatorbeschichtete Backings" (durch „CCB" abgekürzt) oder als Gasdiffusionselektroden („GDE") bezeichnet.
  • Eine Membran-Elektroden-Einheit („fünfschichtige MEE") ist die mittlere Komponente in einer Polymer-Elektrolyt-Membran-(PEM)-Brennstoffzelle und besteht aus fünf Schichten: der Anoden-GDL, der Anodenkatalysatorschicht, der Ionomer-Membran, der Kathodenkatalysatorschicht und der Kathoden-GDL. Eine MEE kann durch Kombinieren einer CCM (katalysatorbeschichtete Membran) mit zwei GDLs (auf der Anoden- und der Kathodenseite) oder alternativ durch Kombinieren einer Ionomer-Membran mit zwei katalysatorbeschichteten Backings (CCB) auf der Anoden- und der Kathodenseite hergestellt werden. In beiden Fällen wird ein fünfschichtiges MEE-Produkt erhalten.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung einer fünfschichtigen MEE auf der Basis der Kombination einer CCM mit zwei Gasdiffusionsschichten (GDLs).
  • PEMFC- und DMFC-Stacks werden aus diesen Membran-Elektroden-Einheiten durch Stapeln zahlreicher einzelner MEE und bipolarer Platten aufeinander zusammengebaut. Je nach den Dimensionen in Querrichtung und der Anzahl aufeinander gestapelter MEE-Einheiten können verschiedene Leistungsbereiche der PEMFC erhalten werden.
  • Die Polymer-Elektrolyt-Membran besteht aus protonenleitenden Polymermaterialien. Diese Materialien werden weiter unten auch kurz als Ionomere bezeichnet. Ein Tetrafluorethylenfluorvinylether-Copolymer mit Sulfonsäure-gruppen wird bevorzugt verwendet. Dieses Material wird beispielsweise durch E. I. DuPont unter dem Warennamen Nafion® vertrieben. Jedoch können andere, insbesondere fluorfreie, Ionomer-Materialien wie sulfonierte Polyetherketone oder Arylketone oder Polybenzimidazole ebenfalls verwendet werden. Geeignete Ionomer-Materialien sind von O. Savadogo in „Journal of New Materials for Electrochemical Systems", I, 47–66 (1998) beschrieben worden. Zur Verwendung in Brennstoffzellen besitzen diese Membranen im Allgemeinen eine Dicke zwischen 10 und 200 μm.
  • Die Anoden- und Kathodenschichten enthalten Elektrokatalysatoren, die die jeweilige Reaktion (Oxidation von Wasserstoff an der Anode und Reduktion von Sauerstoff an der Kathode) katalysieren. Die Metalle der Platingruppe des Periodensystems der Elemente werden bevorzugt als katalytisch aktive Komponenten verwendet. Meistens werden geträgerte Katalysatoren verwendet, bei denen die katalytisch aktiven Platingruppenmetalle in Nanoteilchenform an der Oberfläche eines leitfähigen Trägermaterials fixiert worden sind. Die durchschnittliche Teilchengröße des Platingruppenmetalls liegt zwischen etwa 1 und 10 nm. Ruße mit Teilchengrößen von 10 bis 50 nm und einer hohen elektrischen Leitfähigkeit haben sich als Trägermaterialien bewährt.
  • Allgemein gibt es zwei verschiedene Technologien für die Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten:
    Bei der ersten Technologie (hier mit „CCM-Technologie" bezeichnet) werden die Katalysatorschichten direkt auf die Ionomer-Membran aufgebracht, was zu einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM) führt. Diese Technologie ist beispielsweise in EP 1 037 295 B1, EP 1 176 652 A2 und anderen Anmeldungen der Anmelderin beschrieben. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht aus dem engen, innigen Kontakt der Katalysatorschicht mit der Membran, der unter sehr milden, verträglichen Verfahrensbedingungen erreicht wird. Der Nachteil besteht darin, dass die katalysatorbeschichtete Membran (CCM) beim Herstellen eines Brennstoffzellenstapels getrennt mit zwei GDLs zusammengebaut werden muss.
  • Bei der zweiten alternativen Technologie (die hier als „CCB-Technologie" bezeichnet wird, wobei CCB für katalysatorbeschichtetes Backing steht) werden die Katalysatorschichten zuerst auf die Gasdiffusionsschichten (GDL) aufgebracht. In einem darauffolgenden Schritt werden zwei Gasdiffusionsschichten durch Wärme und Druck mit der Ionomer-Membran unter Bildung einer fünfschichtigen MEE zusammengebaut. Dieser Vorgang wird oft als Heißpressen oder Laminieren bezeichnet. Hoher Druck und hohe Temperaturen sind bei diesem Verfahren zum Laminieren der CCB mit der Ionomer-Membran erforderlich. Das kann zu Membranschäden oder zur Durchbohrung führen, besonders dann, wenn dünne Ionomer-Membranen (mit einer Dicke von weniger als 40 μm) verwendet werden. Des Weiteren kann die Katalysatorschicht auf dem GDL-Substrat beschädigt und/oder verdichtet werden, was zu einer geringen Katalysatorausnutzung und einer geringen Leistung führt.
  • In EP 1 042 837 B1 ist eine Methode zur Herstellung einer fünfschichtigen MEE offenbart. Die darin beschriebenen Verfahren werden auf kontinuierliche Weise ausgeführt und beruhen auf Coextrusions-, Extrusions- und/oder Laminationsschritten. Die in EP 1 042 837 B1 beschriebenen Verfahren sind nicht auf die Herstellung von MEE-Produkten anwendbar, die eine Ionomer-Membran mit selektiv beschichteten aktiven Elektrodenbereichen enthalten. Des Weiteren sind keine Einzelheiten zur Leistung und Qualität der nach den beanspruchten Verfahren hergestellten MEE angegeben.
  • EP-A-918 362 betrifft eine spezifische Methode zur Herstellung einer Brennstoffzelle, bei der eine Polymer-Elektrolytfolie an einen Rahmen befestigt wird.
  • JP-A-07/220741 betrifft eine spezifische Methode zur Herstellung von Elektroden-Folienbindemitteln für Feststoff-Brennstoffzellen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die oben beschriebene „CCM-Technologie" und offenbart ein Herstellungsverfahren für fünfschichtige MEE auf der Basis von katalysatorbeschichteten Membranen. Wie schon skizziert, bestehen MEE, die nach der CCM-Technologie hergestellt sind, aus drei verschiedenen Teilen: der katalysatorbeschichteten Membran, der Anoden-GDL und der Kathoden-GDL. Bei der Herstellung eines PEMFC- oder DM FC-Stapels müssen diese drei Komponenten unter Bildung einer Sandwich-Struktur kombiniert werden. Bei diesem Zusammenbauvorgang sollten die entsprechenden GDLs genau auf die Katalysatorschichten auf beiden Seiten der CCM aufgebracht werden, um auf den aktiven Bereich der Katalysatorschichten zu passen. Des Weiteren sollten zusätzliche Komponenten, beispielsweise Dichtungsmaterialien, aufgebracht werden. So umfasst der Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels verschiedene Ausrichtungsschritte mit unterschiedlichen Komponenten und ist äußerst zeitraubend und kostspielig.
  • Es war die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für fünfschichtige MEE bereitzustellen, das unkompliziert, einfach und schnell ist. Das Verfahren sollte auf der Verwendung von katalysatorbeschichteten Membranen (CCM) basieren und sollte ohne weiteres auf ein kontinuierliches Herstellungsverfahren von hohem Volumen vergrößert werden können.
  • Bei der vorliegenden Erfindung werden die drei Komponenten (CCM, Anoden-GDL und Kathoden-GDL) zu einer fünfschichtigen MEE durch ein Laminierungsverfahren unter Anwendung einer Klebstoffkomponente kombiniert, wobei die Menge der Klebstoffkomponente auf den Bereich von 0,01 bis 10 mg Klebstoff/cm2 der aktiven Fläche der Katalysatorschichten begrenzt ist. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Klebstoffkomponente auf die Anoden- und die Kathodenseite einer katalysatorbeschichteten Membran in einem gewünschten Muster aufgebracht und wahlweise daraufhin getrocknet. Die den Klebstoff enthaltende CCM wird dann zwischen die Anoden- und die Kathoden-GDL eingebettet und die Einheit wird daraufhin unter milden, verträglichen Bedingungen (niedere Temperatur und geringer Druck) unter Bildung einer fünfschichtigen MEE laminiert. Eine schematische Darstellung dieses Verfahrens ist in 1 gezeigt.
  • In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Klebstoffkomponente in einem gewünschten Muster auf die GDL-Substrate aufgebracht. Die mit Klebstoff beschichteten GDLs werden daraufhin wahlweise getrocknet und dann mit der katalysatorbeschichteten Membran unter Bildung der fünfschichtigen MEE laminiert. Eine schematische Darstellung dieses alternativen Verfahrens ist in 2 gezeigt.
  • 3 zeigt die Aufsicht auf eine katalysatorbeschichtete Membran (1) mit Punkten von Klebstoffkomponente (4). Die Bezugszahl (2) bezeichnet die Membran und (3) bezeichnet die aktive Fläche der Katalysatorschichten. Wie in 3 gezeigt, sind die Dimensionen in Querrichtung der aktiven Fläche der Katalysatorschichten im Allgemeinen kleiner als diejenigen der Membran, so dass ein unbeschichteter Umfangsbereich für Versiegelungszwecke frei bleibt. In 3 sind die Punkte der Klebstoffkomponente in einem erwünschten Muster angeordnet, das auf viele Arten variiert werden kann um eine optimalen Verbindung der GDLs mit der CCM zu erzielen.
  • In einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Klebstoffkomponente sowohl auf die katalysatorbeschichtete Membran als auch auf die GDL-Substrate aufgebracht.
  • Variationen dieser Ausführungsformen sind möglich. Beispielsweise kann die Klebstoffkomponente auf die CCM auf der ersten Seite (beispielsweise der Anodenseite) und die GDL auf der zweiten Seite (beispielsweise auf der Kathodenseite) aufgebracht werden.
  • Bei allen diesen verschiedenen Ausführungsformen wird eine fünfschichtige MEE durch ein einfaches Laminierungsverfahren erhalten. Aufgrund der geringen Laminationsdrucke (2 bis 20 bar, bevorzugt maximal 10 bar) und niedrigen Temperaturen (maximal 130°C), die angewendet werden, werden die Ionomer-Membran und die CCM nicht beschädigt, perforiert oder komprimiert. Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren kontinuierlich durchgeführt werden, wenn flexible CCM- und GDL-Materialien, die auf Rollen geliefert werden, verwendet werden. So kann eine MEE-Produktion von Rolle-zu-Rolle mit hohem Volumen erzielt werden.
  • Als Klebstoffkomponente können im Allgemeinen alle Materialien verwendet werden, die bei der Anwendung von Wärme und Druck auf die Substrate Klebstoffeigenschaften entwickelt. Beispiele sind thermoplastische und duroplastische Polymerzusammensetzungen, Heißschmelzkleber, Ein- und Zweikomponentenklebstoffe, Polymere auf Polyolefin-, Polyester-, Bakelit-, Epoxy-, Silicon-, Acryl-, Urethan- oder Polyimidbasis sowie perfluorierte Polymere und Ionomer-Materialien und Mischungen derselben. Die Polymerzusammensetzungen können mit verschiedenen Füllstoffmaterialien gefüllt werden. Beispiele nicht leitfähiger Füllstoffe sind Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Titandioxid und dergleichen. Beispiele leitfähiger Füllstoffe sind Edelmetall- oder Unedelmetallpulver, Ruße, Graphit und dergleichen. Des Weiteren können sie mit katalytisch aktiven Komponenten wie Edelmetallmohren oder rußgeträgerten Elektrokatalysatoren gefüllt werden. Wahlweise können Additive wie Härter, Entschäumer, Netzmittel, Konservierungsmittel usw. zugesetzt werden.
  • Die Klebstoffkomponente wird selektiv in einem Muster auf die aktive Fläche der CCM oder des GDL aufgebracht. Um das Blockieren und Maskieren zu vieler katalytisch aktiver Stellen in den Elektroden zu vermeiden, sollte das Klebstoffmuster nicht zu dicht sein. Gute Ergebnisse werden dann erreicht, wenn die Klebstoffpunkte zwischen 1 und 20%, bevorzugt zwischen 1 und 10% der aktiven Fläche der Katalysatorschichten einnehmen. Beispiele für Klebstoffmuster sind dünne Linien oder kleine Punkte oder Anhäufungen an den Ecken und/oder in der Mitte der aktiven Fläche. Wird die Klebstoffkomponente in einem sehr dichten Muster über die aktiven Fläche angebracht, so kann eine reduzierte Leistung auftreten. Die Menge der Klebstoffkomponente ist zur Verhinderung von MEE-Leistungsverlusten auf den Bereich von 0,01 bis 10, bevorzugt 0,01 bis 1 mg Klebstoffkomponente/cm2 aktiver Fläche begrenzt.
  • Katalysatorbeschichtete Membranen (dreischichtige MEE), die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können durch Drucken von Anoden- und Kathodenelektrodenschichten auf die Vorderseite und Rückseite einer Ionomer-Membran, wie in EP 1 037 295 B1, EP 1 176 652 A2 und anderen Anmeldungen des Anmelders beschrieben, hergestellt werden. Jedoch können CCMs, die durch andere Verfahren (z.B. Abzieh(Decal)verfahren, Rakelauftrag, Tape-Transfer-Methoden, Dünnschicht(PVD)-Verdampfungsverfahren und dergleichen) hergestellt werden, ebenfalls verwendet werden.
  • Als GDLs können verschiedene, im Handel erhältliche, auf dem Gebiet der Brennstoffzellentechnologie bekannte Materialien verwendet werden. Beispiele sind Kohlenstoffpapier, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffgewebe, gewobene Kohlenstoffmaschenware, Nadelfilz, Maschenware usw. Die porösen Kohlenstoffträger können hydrophobiert werden und können Mikroschichten enthalten.
  • Das Aufbringen der Klebstoffkomponente kann durch eine beliebige, im Stand der Technik bekannte Methode erfolgen. Beispiele sind Sprühen, Dosieren, Siebdruck, Schablonendruck, Stempeln, Aufbringen mit der Rakel oder im Fall eines Heißschmelzklebstoffs mit einer erhitzten Nadel oder einer erhitzten Dosiereinheit (hot-melt Dispenser). Im Falle einer kontinuierlichen Herstellung kann das Aufbringen der Klebstoffkomponente automatisch erfolgen und in einen kontinuierlichen Herstellungsprozess integriert werden.
  • Nach dem Aufbringen der Klebstoffkomponente kann ein Trocknungsvorgang durchgeführt werden. Je nach Lösungsmittelgehalt der Klebstoffzusammensetzung werden geeignete Trocknungsbedingungen gewählt. Geeignete Trocknungstemperaturbereiche sind z.B. 40 bis 120°C mit Trocknungszeiten von z.B. 0,5 bis 60 Minuten. Im Falle des Aufbringens von Heißschmelzklebstoffen und lösungsfreien Systemen kann der Trocknungsschritt entfallen.
  • Der Laminierungsvorgang der drei MEE-Teile kann durch ein beliebiges Verfahren durchgeführt werden, bei dem Wärme und Druck angewendet wird (z.B. Heißpressen, Heißwalzen, Kalandern, Stempeln und dergleichen). Im Vergleich mit den Laminierungsbedingungen im oben erwähnten „CCB-Verfahren" (Temperaturen typischerweise über 150°C, Druck typischerweise über 20 bar), sind die Laminierungsbedingungen in der vorliegenden Erfindung beträchtlich milder (Druck von 2 bis 20 bar, bevorzugt bis zu 10 bar und Temperaturen bis zu 130°C). Deshalb werden die Ionomer-Membran und die CCM nicht beschädigt, durchlöchert oder komprimiert.
  • Die folgenden Beispiele beschreiben den Gegenstand der Erfindung genauer, sollten jedoch nicht als einschränkend ausgelegt werden.
  • BEISPIELE
  • Beispiel 1
  • Es wurde eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM Typ R221, Reformatbetrieb/volle Befeuchtung, aktive Fläche 50 cm2, OMG AG & Co. KG, Hanau) als CCM-Komponente verwendet. Die Anodenelektrodenseite enthielt einen PtRu/C-Elektrokatalysator und wies eine gesamte Edelmetallbeladung von 0,45 mg (0,3 mg Pt/cm2 und 0,15 mg Ru/cm2) auf, die Kathodenseite enthielt einen Pt/C-Elektrokatalysator mit einer Pt-Beladung von 0,4 mg Pt/cm2.
  • Die Anoden-GDL, im Folgenden als GDL(A) bezeichnet, wurde wie folgt hergestellt: Ein Blatt Kohlefaserpapier (Dicke 350 μm, Porosität 85%, Lieferant SGL Carbon Group, Typ SIGRACET) wurde mit einer PTFE-Lösung auf Wasserbasis (Typ Hostaflon TF 5032, Dyneon, Gendorf) auf einen PTFE-Gehalt von 16 Gew.-% hydrophobiert und eine Mikroschicht bestehend aus Ruß und PTFE wurde auf eine Seite des Kohlenstoffpapiers durch Siebdruck aufgebracht. Die Kathoden-GDL, im Folgenden als GDL(C) bezeichnet, wurde entsprechend hergestellt, jedoch wurde der PTFE-Gehalt beim Vorgang der Hydrophobierung auf 9 Gew.-% reduziert. Ein Heißschmelzklebstoff auf Polyolefinbasis (Typ Technomelt, Teroson/Henkel Co.) wurde als feines Netzwerk auf die mit der Mikroschicht beschichtete Seite von GDL(A) und GDL(C) aufgesprüht. Das Auftragen des Heißschmelzklebstoffs erfolgte mit einem erhitzten Dispenser bei 175°C. Die Menge des auf jede GDL aufgebrachten Klebstoffs lag im Bereich von 0,1 mg/cm2.
  • Im darauffolgenden Laminierungsvorgang wurde die katalysatorbeschichtete Membran (CCM Typ R221) mit den beiden GDLs in der Sequenz GDL(A) – Anodenschicht-CCM-Kathodenschicht – GDL(C) kombiniert und bei einem Druck von 10 bar bei 130°C für 1 Minute heiß verpresst. Man erhielt eine sehr flexible fünfschichtige Verbund-MEE. Die fünf Schichten hafteten gut aufeinander und konnten leicht gehandhabt und in einen PEMFC-Stapel eingebaut werden.
  • Die 5-schichtige MEE wurde mit Dichtungen kombiniert und einem Leistungstest in einer PEMFC-Einzelzelle unterworfen. Die elektrochemischen Daten waren sehr vorteilhaft (Tabelle 1).
  • Beispiel 2
  • Eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM Typ R221, aktive Fläche 50 cm2, OMG AG & Co. KG, Hanau) wurde als CCM-Komponente verwendet. GDL(A) und GDL(C) wurden wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt. Eine Katalysator enthaltende Paste mit folgender Zusammensetzung wurde hergestellt:
    15,0 g Elektrokatalysator Elyst A40 (OMG AG, Hanau)
    50,0 g Nafion SE10072 (10 Gew.-% in Wasser, DuPont)
    35,0 g Dipropylenglykol
    100,0 g
  • Die Katalysatorpaste wurde in Form eines feinen punktförmigen Musters auf die Anodenseite der aktiven Fläche der CCM aufgebracht. Der Durchmesser der Punkte betrug 1 mm, eine automatische Dosiereinheit mit einer Nadel eines Durchmessers von 0,5 mm wurde verwendet. In einem zweiten Schritt wurde die gleiche Menge Katalysatorpaste auf die mit einer Mikroschicht beschichteten Seite des Kathodenbackings GDL(C) aufgebracht. Nach dem 2 Minuten langen Trocknen bei 80°C wurde die CCM zwischen die Anoden-GDL(A) und die Kathode-GDL(C) eingebettet. Diese Einheit wurde darauf hin bei 120°C und einem Druck von 8 bar heiß verpresst. Man erhielt eine flexible fünfschichtige MEE mit einer guten elektrischen Leistung (Tabelle 1).
  • Beispiel 3
  • Eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM Typ R221, aktive Fläche 50 cm2, OMG AG & Co. KG, Hanau) wurde verwendet. Anoden- und Kathoden-GDLs wurden wie in Beispiel 1 beschrieben vergestellt. Eine Ruß enthaltende Klebstoffpaste wurde mit folgender Zusammensetzung zubereitet:
    20,0 g Ruß-Shawinigan (Chevron)
    60,0 g Nafion SE10072 (10 Gew.-% in Wasser, DuPont)
    20,0 g Dipropylenglykol
    100,0 g
  • Die Ruß enthaltende Klebstoffpaste wurde selektiv auf die mit der Mikroschicht beschichtete Seite der Anoden- und der Kathoden-GDLs durch Siebdruck aufgebracht. Der Trocknungsschritt entfiel. Die Weiterverarbeitung war wie in Beispiel 2 beschrieben. Es wurde eine fünfschichtige MEE mit einer sehr guten elektrischen Leistung erhalten (Tabelle 1).
  • Elektrochemische Prüfung
  • Die fünfschichtigen MEE wurden in einer PEMFC-Einzelzelle mit einer aktiven Fläche von 50 cm2 getestet, die unter Reformat/Luftbedingungen mit simuliertem Erdgasreformat (Zusammensetzung 40 Vol.-% Wasserstoff, 40 Vol.-% Stickstoff, 20 Vol.-% Kohlendioxid, 40 ppm Kohlenmonoxid und zusätzlichem air bleed von 2 Vol.-%) betrieben wurde. Der Arbeitsgasdruck war der Umgebungsdruck (1 bar) und die Zelltemperatur betrug 70°C. Wie in Tabelle 1 gezeigt, besitzen die nach der vorliegenden Erfindung hergestellten fünfschichtigen MEE eine hohe Zellspannung im Bereich von 630 mV bei einer Stromdichte von 600 mA/cm2.
  • Tabelle 1 Ergebnisse der elektrochemischen Prüfung von fünfschichtigen MEE
    Figure 00140001

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung einer fünfschichtigen Membran-Elektroden-Einheit (MEE) zur Verwendung in Membran-Brennstoffzellen, wobei die MEE eine Anoden-Gasdiffusionsschicht, eine katalysatorbeschichtete Membran und eine Kathoden-Gasdiffusionsschicht umfaßt, wobei die Anoden-Gasdiffusionsschicht, die Kathoden-Gasdiffusionsschicht und die katalysatorbeschichtete Membran mit Hilfe eines Laminierungsverfahrens unter Verwendung einer Klebstoffkomponente zusammengebaut werden und wobei die Menge an Klebstoffkomponente auf den Bereich von 0,01 bis 10 mg Klebstoff/cm2 der aktiven Fläche der Katalysatorschichten begrenzt ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die verwendete, katalysatorbeschichtete Membran eine Ionomer-Membran umfaßt, die auf beiden Seiten der Membran in einer gewünschten aktiven Fläche mit Katalysatorschichten beschichtet ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Klebstoffkomponente vor dem Zusammenbauen der MEE auf die Gasdiffusionsschichten aufgetragen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Klebstoffkomponente vor dem Zusammenbauen der MEE auf beide Seiten der katalysatorbeschichteten Membran aufgetragen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Klebstoffkomponente vor dem Zusammenbauen der MEE entweder auf die katalysatorbeschichtete Membran oder auf die Gasdiffusionsschichten aufgetragen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Laminierungsverfahren in einem Temperaturbereich von 20 bis 130°C und in einem Druckbereich von 2 bis 20 bar durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Klebstoffkomponente ein organisches Polymermaterial umfaßt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Klebstoffkomponente ein thermoplastisches oder duroplastisches Polymer, einen leitfähigen Füllstoff, gegebenenfalls ein Lösungsmittel und gegebenenfalls ein Additiv umfaßt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Klebstoffkomponente durch Beschichten, Sprühen, Drucken, durch eine Nadel, durch Stempeln, unter Verwendung eines Übertragungssubstrates oder unter Verwendung einer Heißkleberdosiervorrichtung aufgetragen wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Klebstoffkomponente nach dem Auftragen in einem Temperaturbereich von 40 bis 120°C getrocknet wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Klebstoffkomponente in Form von Klebstoffpunkten selektiv in einem gewünschten Muster auf die aktive Fläche der katalysatorbeschichteten Membran oder der Gasdiffusionsschichten aufgetragen wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Klebstoffpunkte zwischen 1 und 20%, vorzugsweise zwischen 1 und 10%, der aktiven Fläche der Katalysatorschichten belegen.
  13. Membran-Elektroden-Einheit zur Verwendung in Membran-Brennstoffzellen, erhältlich durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
  14. Brennstoffzellenstapel, umfassend Membran-Elektroden-Einheiten, die durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 erhältlich sind.
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