EP-4193402-B1 - METHOD FOR PRODUCING A CATALYST-COATED MEMBRANE

Inventors

• PISZCZEK, Pascal

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20210913

Claims (10)

1. Method for producing a catalyst-coated membrane (CCM) comprising the steps: - preparing and/or providing a first ink (16) with a first ink composition, comprising supported catalyst particles (13), proton-conductive ionomer (15) and dispersant, in which the proportion of supported catalyst particles (13) remains behind the proportion of the proton-conductive ionomer (15), - preparing and/or providing at least one second ink (18) with a second ink composition comprising the supported catalyst particles (13), the proton-conductive ionomer (15) and the dispersant in which the proportion of the proton-conductive ionomer (15) remains behind the proportion of the supported catalyst particles (13), - unwinding a web-shaped membrane material (20) provided on a roll (22), - applying at least one layer of the first ink (16) to at least one section of the membrane material (20) with a first application tool (17), - conveying the membrane material coated with the first ink to an intermediate drying unit and only partial drying of the first ink, so that a dry edge film is obtained from the first ink, and - applying at least one layer of the second ink (18) with a second application tool (19) to an outermost layer applied to the membrane material (20), namely to the dry edge film from the first ink (16).
2. Method according to claim 1, characterized in that the first ink (16) is applied with the first application tool (17) on both sides to the membrane material (20), and in that the second ink (18) is subsequently applied on both sides to the outermost layer of the first ink (19), applied to the membrane material (20), with the second application tool (19).
3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that after the application of the first ink (16) a layer thickness measurement of the layer of the first ink (16) is performed.
4. Method according to claim 3, characterized in that the first ink (16) is applied to subsequent sections of the membrane material (20) depending on the measured layer thickness of preceding sections of the membrane material (20).
5. Method according to claim 3 or 4, characterized in that the second ink (18) is applied depending on the measured layer thickness of the first ink (16) to limit an electrode thickness.
6. Method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that after the application of the second ink (18), a layer thickness measurement of the electrode thickness is performed, and in that the second ink (18) is applied to subsequent sections of the membrane material (20) depending on the measured electrode thickness.
7. Method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the membrane material (20) coated with the inks (16, 18) is conveyed to a drying unit (24) in which the coating is completely dried.
8. Method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that a catalyst particle load of the membrane material (20) coated with the inks (16, 18) is determined by means of an X-ray fluorescence analysis, and in that the proportion of supported catalyst particles (13) in the inks (16, 18) is adjusted depending on the measured catalyst particle load.
9. Method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the membrane material (20) coated with the inks (16, 18) is cut into individual catalyst-coated membranes.
10. Method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that a catalyst content is determined by a layer thickness measurement and/or by a load measurement.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM für "catalyst coated membrane"). Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente eine protonenleitfähige (Elektrolyt-)Membran, der Elektroden zugeordnet sind. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt. In Falle eines wasserstoffhaltigen Gemisches wird dieses zunächst reformiert und so Wasserstoff bereit gestellt. An der Anode findet eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen statt. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Die Druckschriften WO 2008 106 504 A2, WO 2016 149 168 A1 und WO 2002 043 171 A2 beschreiben die industrielle Fertigung von katalysatorbeschichteten Membranen, wobei die Membran bahnförmig bereitgestellt wird um nachfolgend mit Elektrodenmaterial beschichtet zu werden. Insbesondere die WO 2008 106 504 A2 schlägt dabei die Beschichtung des Membranmaterials von einer Rolle auf eine Rolle vor, wobei unterschiedliche Tintenzusammensetzungen für die Beschichtung des Substrats genutzt werden. Im Betrieb der Brennstoffzelle hat es sich herausgestellt, dass gerade auf der Kathodenseite der Membranelektrodenanordnung der größte Feuchtigkeits- oder Flüssigkeitsanfall vorliegt, sodass ein effizientes Wassermanagement durch eine geeignete Zusammensetzung der Katalysatorschicht erforderlich ist. In der US2018 / 0261852A1 wird eine Membranelektrodenanordnung gezeigt, die eine Katalysatorbeschichtung aufweist, die mit Phosphorlipiden bestückt ist. Hierbei ist festzustellen, dass der Anteil der Phosphorlipide nahe der Membran geringer ist und somit der Anteil an lonomer nahe der Membran größer ist. Die US 2008 / 0 206 616 A1 beschreibt den Auftrag von zwei unterschiedlichen Tintenzusammensetzungen, welche nach dem jeweiligen Auftrag mit einer Trocknungseinrichtung getrocknet und geglättet werden. Diese Druckschrift beschreibt die Möglichkeit unterschiedlich gradierter Tintenzusammensetzungen für eine katalysatorbeschichtete Membran. In der DE102017123939A1 wird ebenfalls eine Elektrode für eine Brennstoffzelle mit einer Katalysatorschicht und einer Gasdiffusionsschicht sowie einer Protonenaustauschmembran beschrieben. Dabei umfasst die Katalysatorschicht Nanostrukturen, wovon einige mit Elektrokatalysatorpartikel bestückt sind. In Verbindung mit Figur 4 dieser Druckschrift wird dabei eine gradierte Verteilung der einzelnen Katalysatorschichten beschrieben, wobei der lonomeranteil zur Membran hin zunimmt. In der US2010 / 0221639A1 wird ein Heißpressverfahren zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung beschrieben. Hier wird auf einem Substrat eine Vielzahl von Schichten aufgetragen, darunter eine erste Katalysatorschicht und eine zweite Katalysatorschicht mit unterschiedlichen Katalysatorbeladungen. In der US 2019 / 0245215A1 wird ein Verfahren zum Aufbringen einer Katalysatorbeschichtung auf ein Membransubstrat in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess beschrieben. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer katalysatorbeschichteten Membran derart weiterzubilden, dass eine verbesserte Partikelverteilung der Katalysatorpartikel und damit einhergehend eine verbesserte Effizienz und ein verbessertes Wassermanagement der Brennstoffzelle gegeben sind. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst insbesondere die folgenden Schritte: Anfertigen und/oder Bereitstellen einer ersten Tinte mit einer ersten Tintenzusammensetzung, umfassend geträgerte Katalysatorpartikel, protonenleitfähiges lonomer und Dispersionsmittel, in welcher der Anteil der geträgerten Katalysatorpartikel hinter dem Anteil des protonenleitfähigen lonomers zurückbleibt,Anfertigen und/oder Bereitstellen mindestens einer zweiten Tinte mit einer zweiten Zusammensetzung, umfassend die geträgerten Katalysatorpartikel, dass protonenleitfähige lonomer und das Dispersionsmittel, in welcher der Anteil des protonenleitfähigen Ionomers hinter dem Anteil der geträgerten Katalysatorpartikel zurückbleibt,Abwickeln eines bahnförmigen, auf einer Rolle bereitgestellten, protonenleitfähigen Membranmaterials,Auftragen von wenigstens einer Schicht der ersten Tinte mit einem ersten Auftragungswerkzeug auf zumindest einen Abschnitt des Membranm