DE102013007204A1 - Method for producing membrane electrode assembly, involves joining proton exchange membrane and gas diffusion layer together, such that catalyst layer is arranged between proton exchange membrane and gas diffusion layer - Google Patents

Method for producing membrane electrode assembly, involves joining proton exchange membrane and gas diffusion layer together, such that catalyst layer is arranged between proton exchange membrane and gas diffusion layer Download PDF

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Abstract

The method involves forming a catalyst layer (7,8) on a proton exchange membrane (3) and/or on a gas diffusion layer (4). The proton exchange membrane and the gas diffusion layer are joined together, such that the catalyst layer is arranged between the proton exchange membrane and the gas diffusion layer. The catalyst dispersion with the carbon nanotube (2) is generated and is applied to the proton exchange membrane and/or to the gas diffusion layer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly according to the features of the preamble of claim 1.

Aus dem Stand der Technik ist, wie in der US 2006/0166074 A1 beschrieben, eine Brennstoffzellenelektrodenanordnung bekannt. Die Brennstoffzellenelektrodenanordnung umfasst einen Elektrolyten, eine poröse Diffusionsschicht und eine Katalysatorschicht zwischen dem Elektrolyten und der Diffusionsschicht. Die Katalysatorschicht umfasst eine Mischung eines oder mehrerer Katalysatoren, gestützt durch eine hoch leitende Oberflächenbereichsstruktur, eine oder mehrere polymere Elektrolyten und eine Mehrzahl von Fasern. Diese Fasern haben jeweils einen durchschnittlichen Durchmesser größer als 100 nm.From the prior art, as in the US 2006/0166074 A1 described a fuel cell electrode assembly known. The fuel cell electrode assembly includes an electrolyte, a porous diffusion layer, and a catalyst layer between the electrolyte and the diffusion layer. The catalyst layer comprises a mixture of one or more catalysts supported by a highly conductive surface area structure, one or more polymeric electrolytes, and a plurality of fibers. These fibers each have an average diameter greater than 100 nm.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung anzugeben.The invention is based on the object to provide an improved method for producing a membrane electrode assembly.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved by a method for producing a membrane electrode assembly having the features of claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung (MEA) wird auf einer Protonenaustauschmembran und/oder auf einer Gasdiffusionsschicht eine Katalysatorschicht ausgebildet, welche Kohlenstoffnanoröhren aufweist, wobei die Protonenaustauschmembran und die Gasdiffusionsschicht derart zusammengefügt werden, dass die Katalysatorschicht zwischen der Protonenaustauschmembran und der Gasdiffusionsschicht angeordnet ist.In a method of manufacturing a membrane electrode assembly (MEA) according to the present invention, a catalyst layer comprising carbon nanotubes is formed on a proton exchange membrane and / or a gas diffusion layer, the proton exchange membrane and the gas diffusion layer being assembled such that the catalyst layer is disposed between the proton exchange membrane and the gas diffusion layer ,

Dadurch ist die Membranelektrodenanordnung ausgebildet. Werden sowohl auf der Protonenaustauschmembran als auch auf der Gasdiffusionsschicht jeweils eine Katalysatorschicht ausgebildet, so bilden diese beiden Katalysatorschichten nach dem Zusammenfügen zur Membranelektrodenanordnung eine gemeinsame Katalysatorschicht zwischen der Protonenaustauschmembran und der Gasdiffusionsschicht.As a result, the membrane electrode assembly is formed. If a catalyst layer is formed both on the proton exchange membrane and on the gas diffusion layer, these two catalyst layers form a common catalyst layer between the proton exchange membrane and the gas diffusion layer after being joined to the membrane electrode arrangement.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung treten während eines Trocknens der aus einer Katalysatortinte ohne Kohlenstoffnanoröhren hergestellten Katalysatorschicht Risse und Schrumpfungen auf und die Katalysatorschicht kann sich ablösen. Dies stellt eine erhebliche Qualitätsverschlechterung dar. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens trocknet eine Katalysatordispersion, welche die Kohlenstoffnanoröhren vorteilhafterweise mit stochastischen Längen und/oder Durchmessern aufweist und zur Herstellung der Katalysatorschicht verwendet wird, ohne diese Rissbildungen und Schrumpfungen. Die Katalysatorschicht weist eine vollkommen glatte und ebenmäßige Oberfläche auf und ist gut mit der Protonenaustauschmembran und/oder mit der Gasdiffusionsschicht verbunden.In prior art methods for producing the membrane electrode assembly, cracks and shrinkage occur during drying of the catalyst layer made of a catalyst ink without carbon nanotubes, and the catalyst layer may be peeled off. This represents a considerable deterioration in quality. By means of the process according to the invention, a catalyst dispersion, which advantageously has carbon nanotubes with stochastic lengths and / or diameters and is used to produce the catalyst layer, dries without these cracking and shrinkage. The catalyst layer has a perfectly smooth and even surface and is well bonded to the proton exchange membrane and / or to the gas diffusion layer.

Die Kohlenstoffnanoröhren verbessern zudem einen Elektronen- und Massentransport innerhalb der Membranelektrodenanordnung. Ein Diffusionsvermögen der Membranelektrodenanordnung ist verbessert. Ein Abtransport von Wasser und seinen Reaktionsprodukten ist verbessert. Sauerstoffatome und Valenzelektronen werden deutlich schneller zum elektrochemischen Redoxprozess transportiert. Durch die beschleunigten Transportmechanismen steigt die Agilität des elektrochemischen Prozesses. Die definierte Verteilung und Form der Kohlenstoffnanoröhren steuert die elektrochemische Aktivität und Reaktivität der Membranelektrodenanordnung. Dadurch steigt die Lebensdauer der Membranelektrodenanordnung und somit einer Brennstoffzelle mit der mittels des Verfahrens hergestellten Membranelektrodenanordnung und eine Leistung der Brennstoffzelle und eines Brennstoffzellenstapels mit einer Mehrzahl solcher Brennstoffzellen ist konstant hoch.The carbon nanotubes also enhance electron and mass transport within the membrane electrode assembly. Diffusibility of the membrane electrode assembly is improved. A removal of water and its reaction products is improved. Oxygen atoms and valence electrons are transported much faster to the electrochemical redox process. The accelerated transport mechanisms increase the agility of the electrochemical process. The defined distribution and shape of the carbon nanotubes controls the electrochemical activity and reactivity of the membrane electrode assembly. This increases the life of the membrane electrode assembly and thus a fuel cell with the membrane electrode assembly produced by the method, and a performance of the fuel cell and a fuel cell stack having a plurality of such fuel cells is constantly high.

Die Kohlenstoffnanoröhren haben besonders vorteilhafte Eigenschaften. Sie sind als röhrenförmige Hohlkörper mit einer oder mehreren Kohlenstoffwänden ausgebildet, welche durch eine thermisch-chemische Behandlung bei der Herstellung der Katalysatordispersion polar und hydrophil sind und eine hohe Mischbarkeit aufweisen.The carbon nanotubes have particularly advantageous properties. They are designed as tubular hollow bodies with one or more carbon walls, which are polar and hydrophilic by a thermal-chemical treatment in the preparation of the catalyst dispersion and have a high miscibility.

Des Weiteren weisen die Kohlenstoffnanoröhren eine hohe elektrische Leitfähigkeit, eine ionische Potentialverteilung, eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Reißfestigkeit auf.Furthermore, the carbon nanotubes have a high electrical conductivity, an ionic potential distribution, a good thermal conductivity and a high tensile strength.

Die Kohlenstoffnanoröhren durchziehen einen gesamten Querschnitt der Katalysatorschicht von der Protonenaustauschmembran bis zur Gasdiffusionsschicht, so dass die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle über die gesamte Katalysatorschicht verteilt ist. Es wird mittels der Kohlenstoffnanoröhren eine gesamte Dicke der Katalysatorschicht genutzt, wohingegen bei Membranelektrodenanordnungen nach dem Stand der Technik nur ein Randbereich im Bereich der Protonenaustauschmembran genutzt wird. Dadurch steigt mittels der erfindungsgemäßen Lösung eine Lebensdauer der Protonenaustauschmembran um ein Vielfaches.The carbon nanotubes traverse an entire cross-section of the catalyst layer from the proton exchange membrane to the gas diffusion layer, so that the electrochemical reaction in the fuel cell is distributed over the entire catalyst layer. An entire thickness of the catalyst layer is utilized by means of the carbon nanotubes, whereas in membrane electrode arrangements according to the prior art only one edge region in the region of the proton exchange membrane is used. As a result, a lifetime of the proton exchange membrane increases by a multiple by means of the solution according to the invention.

Zweckmäßigerweise wird eine Katalysatordispersion mit den Kohlenstoffnanoröhren erzeugt, welche auf die Protonenaustauschmembran und/oder auf die Gasdiffusionsschicht aufgebracht wird. Durch das Aufbringen auf die Protonenaustauschmembran wird eine katalysatorbeschichtete Membran erzeugt, auch als catalyst coated membran (CCM) bezeichnet. Während einer Trocknungsphase wird die Katalysatordispersion in der Protonenaustauschmembran bzw. in der Gasdiffusionsschicht infiltriert. Es bilden sich nach dem Zusammenfügen der Gasdiffusionsschicht und der Protonenaustauschmembran durch die Kohlenstoffnanoröhren Brücken durch die offene poröse Struktur, welche die vorteilhaften Eigenschaften der Membranelektrodenanordnung bewirken und die Katalysatorschicht an der Gasdiffusionsschicht bzw. der Protonenaustauschmembran festhalten. Die Zusammensetzung der auf die Protonenaustauschmembran aufzubringenden Katalysatordispersion kann sich von der Zusammensetzung der auf die Gasdiffusionsschicht aufzubringenden Katalysatordispersion unterscheiden. Conveniently, a catalyst dispersion is produced with the carbon nanotubes which is applied to the proton exchange membrane and / or to the gas diffusion layer. By applying to the proton exchange membrane, a catalyst-coated membrane is produced, also referred to as a catalyst coated membrane (CCM). During a drying phase, the catalyst dispersion is infiltrated in the proton exchange membrane or in the gas diffusion layer. After assembly of the gas diffusion layer and the proton exchange membrane by the carbon nanotubes, bridges form through the open porous structure which provide the advantageous properties of the membrane electrode assembly and hold the catalyst layer to the gas diffusion layer or proton exchange membrane. The composition of the catalyst dispersion to be applied to the proton exchange membrane may differ from the composition of the catalyst dispersion to be applied to the gas diffusion layer.

Vorzugsweise wird die Katalysatordispersion auf eine mikroporöse Lage der Gasdiffusionsschicht aufgebracht. Dadurch ist ein besonders gutes Infiltrieren der Gasdiffusionsschicht ermöglicht, durch das Infiltrieren der mikroporösen Lage.Preferably, the catalyst dispersion is applied to a microporous layer of the gas diffusion layer. This allows a particularly good infiltration of the gas diffusion layer, by infiltrating the microporous layer.

Bevorzugt wird die Katalysatordispersion mit Kohlenstoffnanoröhren erzeugt, welche einen Durchmesser von 10 nm bis 50 nm und/oder eine Länge von 1 μm bis 20 μm aufweisen. Diese Dimensionen der Kohlenstoffnanoröhren sind ein wesentliches Kriterium um besonders verbesserte Eigenschaften der Katalysatordispersion und der Membranelektrodenanordnung zu erreichen.The catalyst dispersion is preferably produced with carbon nanotubes which have a diameter of 10 nm to 50 nm and / or a length of 1 μm to 20 μm. These dimensions of the carbon nanotubes are an essential criterion for achieving particularly improved properties of the catalyst dispersion and the membrane electrode assembly.

Vorzugsweise wird die Katalysatordispersion derart erzeugt, dass sie 0,1 bis 10 Gew.-% (Gewichtsprozent) Kohlenstoffnanoröhren aufweist, vorzugsweise 1 bis 10 Gew.-% und weiter bevorzugt 1 bis 2 Gew.-%. Diese Zusammensetzung der Katalysatordispersion ist ein wesentliches Kriterium, um besonders verbesserte Eigenschaften der Katalysatordispersion und der Membranelektrodenanordnung zu erreichen.Preferably, the catalyst dispersion is formed to contain from 0.1 to 10 weight percent (by weight) carbon nanotubes, preferably from 1 to 10 weight percent, and more preferably from 1 to 2 weight percent. This composition of the catalyst dispersion is an essential criterion for achieving particularly improved properties of the catalyst dispersion and the membrane electrode assembly.

Zweckmäßigerweise werden zur Erzeugung der Katalysatordispersion folgende Schritte durchgeführt:

  • – Vermischen der Kohlenstoffnanoröhren mit Wasser und ein nachfolgendes Homogenisieren,
  • – Entflechten und Verteilen der Kohlenstoffnanoröhren unter Druck,
  • – Zugabe von Ionomeren,
  • – Mischen
  • – Zugabe von Katalysatorpuder,
  • – Mikrofluidisieren.
The following steps are expediently carried out to produce the catalyst dispersion:
  • Mixing the carbon nanotubes with water and subsequent homogenization,
  • Unbundling and distributing the carbon nanotubes under pressure,
  • Addition of ionomers,
  • - Mix
  • - addition of catalyst powder,
  • - Microfluidizing.

Auf diese Weise wird die Katalysatordispersion mit den genannten vorteilhaften Eigenschaften erzeugt. Beispielsweise werden die Kohlenstoffnanoröhren zunächst mit Wasser vermischt und zum Beispiel durch einen Ultraschallstab beispielsweise mit 367 KJ behandelt, um eine Homogenisierung der Agglomerate zu erreichen. Anschließend werden die Kohlenstoffnanoröhren des Gemischs durch eine, zwei oder mehr Reaktionskammern entflochten und im Gemisch verteilt, beispielsweise mit einem Druck von jeweils ca. 17000 psi, dies entspricht ca. 117210873,981 Pa. Danach werden Ionomere zu dem Gemisch zugeführt und in einer Mischeinrichtung vermengt. Dann wird Katalysatorpuder zu dem Gemisch beigemengt.In this way, the catalyst dispersion is produced with the aforementioned advantageous properties. For example, the carbon nanotubes are first mixed with water and, for example, treated by an ultrasonic rod, for example, 367 KJ, to achieve homogenization of the agglomerates. Subsequently, the carbon nanotubes of the mixture are unbundled by one, two or more reaction chambers and distributed in a mixture, for example with a pressure of about 17000 psi, this corresponds to about 117210873.981 Pa. Thereafter, ionomers are added to the mixture and mixed in a mixer. Then catalyst powder is added to the mixture.

Das Gemisch wird dann mikrofluidisiert. Dies findet beispielsweise in einem, in zwei oder mehr Schritten und in einer, in zwei oder in mehreren Reaktionskammern unter Druck statt, beispielsweise zunächst in einer Reaktionskammer mit einem Druck von ca. 17000 psi, dies entspricht ca. 117210873,981 Pa, und danach in einer Reaktionskammer mit ca. 2000 psi, dies entspricht ca. 13789514,586 Pa. Dies liefert besonders homogene Ergebnisse. Die Drücke können zwischen 2000 psi, dies sind ca. 13789514,586 Pa, und 20000 psi, dies sind ca. 137895145,86 Pa, liegen.The mixture is then microfluidized. This takes place for example in one, in two or more steps and in one, in two or more reaction chambers under pressure, for example first in a reaction chamber with a pressure of about 17000 psi, this corresponds to about 117210873.981 Pa, and after in a reaction chamber at about 2000 psi, this corresponds to about 13789514.586 Pa. This provides particularly homogeneous results. The pressures can be between 2000 psi, this is about 13789514.586 Pa, and 20000 psi, which is about 137895145.86 Pa.

Die für das Mikrofluidisieren verwendeten Mikrofluidisierer, auch als microfluidizer oder microfluidizer processors bezeichnet, sind Geräte, mit denen Stoffgemische homogenisiert werden können. Die Mikrofluidisierung kann, wie bereits beschrieben, in ein, zwei oder mehr Schritten durchgeführt werden, wobei bei jedem Schritt ein unterschiedlicher Druck zwischen 2000 psi und 20000 psi angewendet werden kann. Durch einen solchen Verfahrensablauf zur Herstellung der Katalysatordispersion wird eine vorgegebene Viskosität der Katalysatordispersion erreicht, um ein nachfolgendes Auftragen der Katalysatordispersion auf die Protonenaustauschmembran und/oder auf die Gasdiffusionsschicht mit einer vorgegebenen Qualität zu ermöglichen. Die Viskosität beträgt vorzugsweise zwischen 0,03 Pa·s und 0,15 Pa·s. Die Zielviskosität, d. h. die vorgegebene Viskosität, welche die Katalysatordispersion aufweisen soll, kann durch den Druck bei der Mikrofluidisierung eingestellt werden. Ein erhöhter Druck ergibt eine erhöhte Viskosität. Ein niedriger Druck ergibt eine niedrige Viskosität.The microfluidizers used for microfluidizing, also referred to as microfluidizers or microfluidizer processors, are devices with which mixtures of substances can be homogenized. Microfluidization may be performed in one, two, or more steps, as previously described, with a different pressure between 2000 psi and 20000 psi applied to each step. By means of such a process sequence for the preparation of the catalyst dispersion, a predetermined viscosity of the catalyst dispersion is achieved in order to allow a subsequent application of the catalyst dispersion to the proton exchange membrane and / or to the gas diffusion layer of a predetermined quality. The viscosity is preferably between 0.03 Pa · s and 0.15 Pa · s. The target viscosity, d. H. the predetermined viscosity, which should have the catalyst dispersion, can be adjusted by the pressure in the microfluidization. Increased pressure results in increased viscosity. A low pressure gives a low viscosity.

Vorzugsweise wird die Katalysatordispersion auf die Protonenaustauschmembran und/oder auf die Gasdiffusionsschicht mittels eines Druckverfahrens aufgebracht. Dies ist eine einfache Möglichkeit zum exakten Aufbringen der Katalysatordispersion, insbesondere auch in einer jeweils vorgegebenen Dicke.Preferably, the catalyst dispersion is applied to the proton exchange membrane and / or to the gas diffusion layer by means of a printing process. This is a simple possibility for the exact application of the catalyst dispersion, in particular also in a respective predetermined thickness.

Bevorzugt wird die Katalysatordispersion auf die Protonenaustauschmembran mittels eines Mikrogravurdruckverfahrens aufgebracht. Dies ist beispielsweise ein Tiefdruckverfahren, welches insbesondere mittels einer Tiefdruck-Gravurmaschine durchgeführt wird, d. h. die Katalysatordispersion wird mittels der Tiefdruck-Gravurmaschine und einer Walze auf der Protonenaustauschmembran abgestrichen. Es können alternativ auch andere dem Fachmann bekannte Druckverfahren oder auch andere Beschichtungsverfahren verwendet werden. Preferably, the catalyst dispersion is applied to the proton exchange membrane by means of a microgravure printing process. This is, for example, a gravure printing process, which is carried out in particular by means of a gravure engraving machine, ie the catalyst dispersion is scraped off by means of the gravure engraving machine and a roller on the proton exchange membrane. Alternatively, other printing processes known to the person skilled in the art or also other coating processes can be used.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Katalysatordispersion auf die Gasdiffusionsschicht mittels Schlitzdüsenbeschichtung aufgebracht, vorteilhafterweise mittels einer Vorrichtung zur Schlitzdüsenbeschichtung, welche eine oder mehrere Lippen an der Schlitzdüse aufweist, die das mittels der Schlitzdüse aufgetragen Material, d. h. die Katalysatordispersion, in einer jeweils vorgegebenen Schichtdicke verteilen und etwas andrücken, so dass eine gut haftende Schicht entsteht. Dieses Verfahren wird auch als Lip Coating bezeichnet und ist eine spezielle Ausgestaltung des so genannten Slot Die Coatings, d. h. der Schlitzdüsenbeschichtung. Es können jedoch auch andere dem Fachmann bekannte Druckverfahren oder auch andere Beschichtungsverfahren verwendet werden.In an advantageous embodiment, the catalyst dispersion is applied to the gas diffusion layer by means of slot die coating, advantageously by means of a slot die coating device which has one or more lips on the slot die, the material applied by the slot die, i. H. Distribute the catalyst dispersion, in a given layer thickness and press something, so that a well-adherent layer is formed. This process is also referred to as lip coating and is a special embodiment of the so-called slot die coatings, d. H. the slot nozzle coating. However, it is also possible to use other printing methods known to the person skilled in the art or else other coating methods.

Zweckmäßigerweise wird die Katalysatordispersion nach dem Aufbringen durch Wärmeeinwirkung getrocknet. Dies kann induktiv, mittels Infrarotbestrahlung, in einem Wärmeofen oder mittels anderer Wärmebehandlungen erfolgen. Durch die Wärmeeinwirkung wird die Katalysatordispersion kontrolliert getrocknet und es ist eine schnelle Weiterverarbeitung möglich, um die Membranelektrodenanordnung auszubilden.Conveniently, the catalyst dispersion is dried after application by the action of heat. This can be done inductively, by means of infrared radiation, in a heating furnace or by means of other heat treatments. By the action of heat, the catalyst dispersion is dried in a controlled manner and rapid further processing is possible in order to form the membrane electrode assembly.

Eine mittels des Verfahrens hergestellte Membranelektrodenanordnung umfasst eine Protonenaustauschmembran und zumindest eine Gasdiffusionsschicht, wobei zwischen der Protonenaustauschmembran und der zumindest einen Gasdiffusionsschicht zumindest eine Katalysatorschicht ausgebildet ist. Die Katalysatorschicht weist Kohlenstoffnanoröhren auf.A membrane electrode assembly produced by the method comprises a proton exchange membrane and at least one gas diffusion layer, wherein at least one catalyst layer is formed between the proton exchange membrane and the at least one gas diffusion layer. The catalyst layer has carbon nanotubes.

Die mittels des Verfahrens hergestellte Membranelektrodenanordnung weist die oben bereits beschriebenen Vorteile auf. Die Katalysatorschicht weist eine vollkommen glatte und ebenmäßige Oberfläche auf und ist gut mit der Protonenaustauschmembran und/oder mit der Gasdiffusionsschicht verbunden.The membrane electrode assembly produced by the method has the advantages already described above. The catalyst layer has a perfectly smooth and even surface and is well bonded to the proton exchange membrane and / or to the gas diffusion layer.

Die Kohlenstoffnanoröhren verbessern zudem einen Elektronen- und Massentransport innerhalb der Membranelektrodenanordnung. Ein Diffusionsvermögen der Membranelektrodenanordnung ist verbessert. Ein Abtransport von Wasser und seinen Reaktionsprodukten ist verbessert. Sauerstoffatome und Valenzelektronen werden deutlich schneller zum elektrochemischen Redoxprozess transportiert. Durch die beschleunigten Transportmechanismen steigt die Agilität des elektrochemischen Prozesses. Die definierte Verteilung und Form der Kohlenstoffnanoröhren steuert die elektrochemische Aktivität und Reaktivität der Membranelektrodenanordnung. Dadurch steigt die Lebensdauer der Membranelektrodenanordnung und somit einer Brennstoffzelle mit der Membranelektrodenanordnung und eine Leistung der Brennstoffzelle und eines Brennstoffzellenstapels mit einer Mehrzahl solcher Brennstoffzellen ist konstant hoch.The carbon nanotubes also enhance electron and mass transport within the membrane electrode assembly. Diffusibility of the membrane electrode assembly is improved. A removal of water and its reaction products is improved. Oxygen atoms and valence electrons are transported much faster to the electrochemical redox process. The accelerated transport mechanisms increase the agility of the electrochemical process. The defined distribution and shape of the carbon nanotubes controls the electrochemical activity and reactivity of the membrane electrode assembly. As a result, the life of the membrane electrode assembly and thus a fuel cell with the membrane electrode assembly increases, and a performance of the fuel cell and a fuel cell stack having a plurality of such fuel cells is constantly high.

Die Kohlenstoffnanoröhren haben besonders vorteilhafte Eigenschaften. Sie sind als röhrenförmige Hohlkörper mit Kohlenstoffwänden ausgebildet, welche durch eine thermisch-chemische Behandlung bei der Herstellung der Katalysatordispersion polar und hydrophil sind und eine hohe Mischbarkeit aufweisen. Des Weiteren weisen die Kohlenstoffnanoröhren eine hohe elektrische Leitfähigkeit, eine ionische Potentialverteilung, eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Reißfestigkeit auf.The carbon nanotubes have particularly advantageous properties. They are designed as tubular hollow bodies with carbon walls, which are polar and hydrophilic by a thermal-chemical treatment in the preparation of the catalyst dispersion and have a high miscibility. Furthermore, the carbon nanotubes have a high electrical conductivity, an ionic potential distribution, a good thermal conductivity and a high tensile strength.

Die Kohlenstoffnanoröhren durchziehen einen gesamten Querschnitt der Katalysatorschicht von der Protonenaustauschmembran bis zur Gasdiffusionsschicht, so dass die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle über die gesamte Katalysatorschicht verteilt ist. Es wird mittels der Kohlenstoffnanoröhren eine gesamte Dicke der Katalysatorschicht genutzt, wohingegen bei Membranelektrodenanordnungen nach dem Stand der Technik nur ein Randbereich im Bereich der Protonenaustauschmembran genutzt wird. Dadurch steigt mittels der erfindungsgemäßen Lösung eine Lebensdauer der Protonenaustauschmembran um ein Vielfaches.The carbon nanotubes traverse an entire cross-section of the catalyst layer from the proton exchange membrane to the gas diffusion layer, so that the electrochemical reaction in the fuel cell is distributed over the entire catalyst layer. An entire thickness of the catalyst layer is utilized by means of the carbon nanotubes, whereas in membrane electrode arrangements according to the prior art only one edge region in the region of the proton exchange membrane is used. As a result, a lifetime of the proton exchange membrane increases by a multiple by means of the solution according to the invention.

Eine Brennstoffzelle umfasst eine solche mit dem Verfahren erzeugte Membranelektrodenanordnung. Durch die beschriebene Ausbildung der Membranelektrodenanordnung in der Brennstoffzelle steigt die Lebensdauer der Membranelektrodenanordnung und somit der Brennstoffzelle mit der Membranelektrodenanordnung und eine Leistung der Brennstoffzelle und eines Brennstoffzellenstapels mit einer Mehrzahl solcher Brennstoffzellen ist konstant hoch.A fuel cell comprises such a membrane electrode assembly produced by the method. The described design of the membrane electrode assembly in the fuel cell increases the lifetime of the membrane electrode assembly and thus of the fuel cell with the membrane electrode assembly and a performance of the fuel cell and a fuel cell stack having a plurality of such fuel cells is constantly high.

Zweckmäßigerweise weisen die Kohlenstoffnanoröhren jeweils einen Durchmesser von 10 nm bis 50 nm und/oder eine Länge von 1 μm bis 20 μm auf. Diese Dimensionen der Kohlenstoffnanoröhren sind ein wesentliches Kriterium, um besonders verbesserte Eigenschaften der Katalysatordispersion und der Membranelektrodenanordnung zu erreichen.Expediently, the carbon nanotubes each have a diameter of 10 nm to 50 nm and / or a length of 1 μm to 20 μm. These dimensions of the carbon nanotubes are an essential criterion for achieving particularly improved properties of the catalyst dispersion and the membrane electrode assembly.

Vorzugsweise erstrecken sich zumindest einige der Kohlenstoffnanoröhren in die Gasdiffusionsschicht und/oder in eine mikroporöse Lage der Gasdiffusionsschicht hinein. Dadurch durchziehen die Kohlenstoffnanoröhren einen gesamten Querschnitt der Katalysatorschicht von der Protonenaustauschmembran bis zur Gasdiffusionsschicht, so dass die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle über die gesamte Katalysatorschicht verteilt ist. Es wird mittels der Kohlenstoffnanoröhren eine gesamte Dicke der Katalysatorschicht genutzt, wohingegen bei Membranelektrodenanordnungen nach dem Stand der Technik nur ein Randbereich im Bereich der Protonenaustauschmembran genutzt wird. Dadurch steigt mittels der erfindungsgemäßen Lösung eine Lebensdauer der Protonenaustauschmembran um ein Vielfaches. Preferably, at least some of the carbon nanotubes extend into the gas diffusion layer and / or into a microporous layer of the gas diffusion layer. Thereby, the carbon nanotubes traverse an entire cross section of the catalyst layer from the proton exchange membrane to the gas diffusion layer, so that the electrochemical reaction in the fuel cell is distributed over the entire catalyst layer. An entire thickness of the catalyst layer is utilized by means of the carbon nanotubes, whereas in membrane electrode arrangements according to the prior art only one edge region in the region of the proton exchange membrane is used. As a result, a lifetime of the proton exchange membrane increases by a multiple by means of the solution according to the invention.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 schematisch ein Verfahrensablauf zur Herstellung einer Katalysatordispersion, 1 1 schematically a process for the preparation of a catalyst dispersion,

2 schematisch eine Schale mit einer Katalysatordispersion, welche Kohlenstoffnanoröhren enthält, 2 schematically a shell with a catalyst dispersion containing carbon nanotubes,

3 schematisch eine Schale mit einer zur Herstellung von aus dem Stand der Technik bekannten Membranelektrodenanordnungen genutzten Katalysatortinte, 3 1 schematically shows a shell with a catalyst ink used for the production of membrane electrode arrangements known from the prior art,

4 schematisch eine Protonenaustauschmembran mit einer Katalysatorschicht, 4 schematically a proton exchange membrane with a catalyst layer,

5 schematisch eine Gasdiffusionsschicht mit einer Katalysatorschicht, 5 schematically a gas diffusion layer with a catalyst layer,

6 schematisch eine Membranelektrodenanordnung, und 6 schematically a membrane electrode assembly, and

7 schematisch ein Verfahrensablauf zur Endfertigung einer Membranelektrodenanordnung. 7 schematically a process flow for the final production of a membrane electrode assembly.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Verfahrensablaufs zur Herstellung einer Katalysatordispersion 1, welche Kohlenstoffnanoröhren 2 aufweist. Die 2 und 3 zeigen einen Vergleich dieser Katalysatordispersion 1, welche in 2 dargestellt ist, mit einer aus dem Stand der Technik bekannten herkömmlichen Katalysatortinte T. Diese Katalysatordispersion 1 wird auf eine Protonenaustauschmembran 3 aufgetragen, wie in 4 dargestellt, und/oder auf eine Gasdiffusionsschicht 4 aufgetragen, wie in 5 dargestellt, um dadurch eine Katalysatorschicht 5 einer Membranelektrodenanordnung 6 auszubilden. Eine Membranelektrodenanordnung 6 mit einer solchen Katalysatorschicht 5 ist in 6 schematisch dargestellt. Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrensablaufs zum Zusammenfügen der Protonenaustauschmembran 3 und der Gasdiffusionsschicht 4 zur Membranelektrodenanordnung 6, wobei die Protonenaustauschmembran 3 und/oder die Gasdiffusionsschicht 4 mit der Katalysatordispersion 1 beschichtet ist, ist in 7 dargestellt. 1 schematically shows an embodiment of a process sequence for the preparation of a catalyst dispersion 1 , which carbon nanotubes 2 having. The 2 and 3 show a comparison of this catalyst dispersion 1 , what a 2 is shown with a known from the prior art conventional catalyst ink T. This catalyst dispersion 1 becomes a proton exchange membrane 3 applied as in 4 represented, and / or on a gas diffusion layer 4 applied as in 5 to thereby form a catalyst layer 5 a membrane electrode assembly 6 train. A membrane electrode assembly 6 with such a catalyst layer 5 is in 6 shown schematically. An embodiment of a method sequence for assembling the proton exchange membrane 3 and the gas diffusion layer 4 to the membrane electrode assembly 6 , wherein the proton exchange membrane 3 and / or the gas diffusion layer 4 with the catalyst dispersion 1 is coated in is 7 shown.

In einem Verfahren zur Herstellung der in 6 dargestellten Membranelektrodenanordnung 6 wird auf der Protonenaustauschmembran 3 und/oder auf der Gasdiffusionsschicht 4 eine Katalysatorschicht 7, 8 ausgebildet, welche Kohlenstoffnanoröhren 2 aufweist. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird sowohl auf der Protonenaustauschmembran 3 als auch auf der Gasdiffusionsschicht 4 jeweils eine solche Katalysatorschicht 7, 8 ausgebildet, wie in den 4 und 5 dargestellt ist. Die Protonenaustauschmembran 3 und die Gasdiffusionsschicht 4 werden, wie in 6 dargestellt, derart zusammengefügt, dass die Katalysatorschicht 7, 8 oder, wie hier dargestellt, die beiden Katalysatorschichten 7, 8, zwischen der Protonenaustauschmembran 3 und der Gasdiffusionsschicht 4 angeordnet sind. Dadurch ist die Membranelektrodenanordnung 6 ausgebildet. Werden sowohl auf der Protonenaustauschmembran 3 als auch auf der Gasdiffusionsschicht 4 jeweils eine Katalysatorschicht 7, 8 ausgebildet, wie in diesem Ausführungsbeispiel, so bilden diese beiden Katalysatorschichten 7, 8 nach dem Zusammenfügen zur Membranelektrodenanordnung 6 eine gemeinsame Katalysatorschicht 5 zwischen der Protonenaustauschmembran 3 und der Gasdiffusionsschicht 4.In a process for the preparation of in 6 illustrated membrane electrode assembly 6 becomes on the proton exchange membrane 3 and / or on the gas diffusion layer 4 a catalyst layer 7 . 8th formed, which carbon nanotubes 2 having. In the embodiment shown here, both on the proton exchange membrane 3 as well as on the gas diffusion layer 4 in each case such a catalyst layer 7 . 8th trained, as in the 4 and 5 is shown. The proton exchange membrane 3 and the gas diffusion layer 4 be like in 6 shown assembled in such a way that the catalyst layer 7 . 8th or, as shown here, the two catalyst layers 7 . 8th , between the proton exchange membrane 3 and the gas diffusion layer 4 are arranged. This is the membrane electrode assembly 6 educated. Become both on the proton exchange membrane 3 as well as on the gas diffusion layer 4 one catalyst layer each 7 . 8th formed, as in this embodiment, so form these two catalyst layers 7 . 8th after assembly to the membrane electrode assembly 6 a common catalyst layer 5 between the proton exchange membrane 3 and the gas diffusion layer 4 ,

D. h. die Membranelektrodenanordnung 6, welche in einem Ausführungsbeispiel in 6 dargestellt ist, umfasst die Protonenaustauschmembran 3 und zumindest eine Gasdiffusionsschicht 4, wobei zwischen der Protonenaustauschmembran 3 und der zumindest einen Gasdiffusionsschicht 4 zumindest eine Katalysatorschicht 5 ausgebildet ist, und wobei diese zumindest eine Katalysatorschicht 5 Kohlenstoffnanoröhren 2 aufweist. Zweckmäßigerweise weist die Membranelektrodenanordnung 6 zwei solche Gasdiffusionsschichten 4 auf, auf jeder Seite der Protonenaustauschmembran 3 eine Gasdiffusionsschicht 4, wobei zwischen der jeweiligen Gasdiffusionsschicht 4 und der Protonenaustauschmembran 3 jeweils zumindest eine solche Katalysatorschicht 5 ausgebildet ist, welche Kohlenstoffnanoröhren 2 aufweist.Ie. the membrane electrode assembly 6 , which in one embodiment in 6 is shown, includes the proton exchange membrane 3 and at least one gas diffusion layer 4 , wherein between the proton exchange membrane 3 and the at least one gas diffusion layer 4 at least one catalyst layer 5 is formed, and wherein these at least one catalyst layer 5 Carbon nanotubes 2 having. Conveniently, the membrane electrode assembly 6 two such gas diffusion layers 4 on, on each side of the proton exchange membrane 3 a gas diffusion layer 4 wherein between the respective gas diffusion layer 4 and the proton exchange membrane 3 in each case at least one such catalyst layer 5 is formed, which carbon nanotubes 2 having.

Aus der Verwendung der Katalysatordispersion 1 mit Kohlenstoffnanoröhren 2 resultieren erhebliche Vorteile, wie durch den Vergleich der in 2 dargestellten Katalysatordispersion 1 mit einer in 3 dargestellten aus dem Stand der Technik bekannten herkömmlichen Katalysatortinte T deutlich wird. Es wurden Vergleichsversuche durchgeführt, wobei die Katalysatordispersion 1 mit den Kohlenstoffnanoröhren 2 hergestellt und auf einen Boden einer ersten Untersuchungsschale U1 aufgetragen wurde, wie in 2 gezeigt, und zu Vergleichszwecken eine herkömmliche Katalysatortinte T hergestellt und auf einen Boden einer zweiten Untersuchungsschale U2 aufgetragen wurde, wie in 3 gezeigt. Die Katalysatordispersion 1 und die herkömmliche Katalysatortinte T wurden danach getrocknet. Das daraus resultierende Ergebnis ist in den 2 und 3 dargestellt.From the use of the catalyst dispersion 1 with carbon nanotubes 2 result in significant benefits, as by comparing the in 2 represented catalyst dispersion 1 with an in 3 shown known from the prior art conventional catalyst ink T becomes clear. Comparative experiments were carried out with the catalyst dispersion 1 with the carbon nanotubes 2 was prepared and applied to a bottom of a first assay dish U1, as in 2 and for comparison purposes, a conventional catalyst ink T was prepared and applied to a bottom of a second assay cup U2 as shown in FIG 3 shown. The catalyst dispersion 1 and the conventional catalyst ink T were then dried. The resulting result is in the 2 and 3 shown.

Bei der aus dem Stand der Technik bekannten herkömmlichen Katalysatortinte T treten während des Trocknens Risse und Schrumpfungen auf. Die Rissbildung ist in 3 deutlich zu erkennen. Diese Rissbildung und Schrumpfung tritt auch bei der mittels dieser Katalysatortinte T ausgebildeten Katalysatorschicht auf und verschlechtert deren Katalysatoreigenschaften erheblich. Zudem kann sich diese aus der Katalysatortinte T hergestellte Katalysatorschicht ablösen. Dies stellt eine erhebliche Qualitätsverschlechterung dar.In the conventional catalyst ink T known from the prior art, cracks and shrinkages occur during drying. The cracking is in 3 clearly visible. This cracking and shrinkage also occurs in the catalyst layer formed by this catalyst ink T, and significantly deteriorates its catalyst properties. In addition, this catalyst layer produced from the catalyst ink T can come off. This represents a significant deterioration in quality.

Die Katalysatordispersion 1 mit den Kohlenstoffnanoröhren 2 trocknet im Gegensatz dazu ohne diese Rissbildungen und Schrumpfungen, wie in 2 gut zu erkennen. Die aus dieser Katalysatordispersion 1 hergestellte Katalysatorschicht 5, 7, 8 weist eine vollkommen glatte und ebenmäßige Oberfläche auf und ist gut mit der Protonenaustauschmembran 3 und/oder mit der Gasdiffusionsschicht 4 verbunden. Dadurch wird eine erhebliche Qualitätsverbesserung der Membranelektrodenanordnung 6 sowie eine verlängerte Lebensdauer und eine Leistungssteigerung einer diese Membranelektrodenanordnung 6 aufweisenden, hier nicht näher dargestellten Brennstoffzelle erreicht. Die Katalysatordispersion 1 weist zudem verbesserte Fließeigenschaften über einen längeren Zeitraum auf, so dass das Aufbringen der Katalysatordispersion 1 auf die Protonenaustauschmembran 3 und/oder die Gasdiffusionsschicht 4 vereinfacht und verbessert wird. Zudem schäumt die Katalysatordispersion 1 während ihrer Herstellung nicht auf, anders als die herkömmliche Katalysatortinte T.The catalyst dispersion 1 with the carbon nanotubes 2 in contrast, dries without these cracks and shrinkage, as in 2 clearly visible. The from this catalyst dispersion 1 prepared catalyst layer 5 . 7 . 8th has a perfectly smooth and even surface and is good with the proton exchange membrane 3 and / or with the gas diffusion layer 4 connected. This will significantly improve the quality of the membrane electrode assembly 6 and a prolonged life and an increase in performance of this membrane electrode assembly 6 having reached, not shown here fuel cell. The catalyst dispersion 1 also has improved flow properties over a longer period of time, so that the application of the catalyst dispersion 1 on the proton exchange membrane 3 and / or the gas diffusion layer 4 simplified and improved. In addition, the catalyst dispersion foams 1 during their production, unlike the conventional catalyst ink T.

Die Kohlenstoffnanoröhren 2 verbessern zudem einen Elektronen- und Massentransport innerhalb der Membranelektrodenanordnung 6. Ein Diffusionsvermögen der Membranelektrodenanordnung 6 ist verbessert. Ein Abtransport von Wasser und seinen Reaktionsprodukten ist verbessert. Sauerstoffatome und Valenzelektronen werden deutlich schneller zum elektrochemischen Redoxprozess transportiert. Durch die beschleunigten Transportmechanismen steigt die Agilität des elektrochemischen Prozesses. Die definierte Verteilung und Form der Kohlenstoffnanoröhren 2 steuert die elektrochemische Aktivität und Reaktivität der Membranelektrodenanordnung 6. Dadurch steigt die Lebensdauer der Membranelektrodenanordnung 6 und somit der Brennstoffzelle mit der mittels des Verfahrens hergestellten Membranelektrodenanordnung 6 und eine Leistung der Brennstoffzelle und eines Brennstoffzellenstapels mit einer Mehrzahl solcher Brennstoffzellen ist konstant hoch.The carbon nanotubes 2 also improve electron and mass transport within the membrane electrode assembly 6 , Diffusivity of the membrane electrode assembly 6 is improved. A removal of water and its reaction products is improved. Oxygen atoms and valence electrons are transported much faster to the electrochemical redox process. The accelerated transport mechanisms increase the agility of the electrochemical process. The defined distribution and shape of carbon nanotubes 2 controls the electrochemical activity and reactivity of the membrane electrode assembly 6 , This increases the life of the membrane electrode assembly 6 and thus the fuel cell with the membrane electrode assembly made by the method 6 and a performance of the fuel cell and a fuel cell stack having a plurality of such fuel cells is constantly high.

Die Kohlenstoffnanoröhren 2 haben besonders vorteilhafte Eigenschaften. Sie sind als röhrenförmige Hohlkörper mit Kohlenstoffwänden ausgebildet, welche durch eine thermisch-chemische Behandlung bei der Herstellung der Katalysatordispersion 1 polar und hydrophil sind und eine hohe Mischbarkeit aufweisen. Des Weiteren weisen die Kohlenstoffnanoröhren 2 eine hohe elektrische Leitfähigkeit, eine ionische Potentialverteilung, eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Reißfestigkeit auf.The carbon nanotubes 2 have particularly advantageous properties. They are designed as tubular hollow bodies with carbon walls, which by a thermal-chemical treatment in the preparation of the catalyst dispersion 1 are polar and hydrophilic and have a high miscibility. Furthermore, the carbon nanotubes have 2 a high electrical conductivity, an ionic potential distribution, a good thermal conductivity and a high tensile strength.

Die Kohlenstoffnanoröhren 2 durchziehen, wie in 6 gezeigt, einen gesamten Querschnitt der Katalysatorschicht 5, d. h. der im hier dargestellten Beispiel aus den beiden Katalysatorschichten 7, 8 gebildeten gemeinsamen Katalysatorschicht 5, von der Protonenaustauschmembran 3 bis zur Gasdiffusionsschicht 4, so dass die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle über die gesamte Katalysatorschicht 5 verteilt ist. Es wird mittels der Kohlenstoffnanoröhren 2 eine gesamte Dicke der Katalysatorschicht 5 genutzt, wohingegen bei Membranelektrodenanordnungen nach dem Stand der Technik nur ein Randbereich im Bereich der Protonenaustauschmembran genutzt wird. Dadurch steigt mittels der erfindungsgemäßen Lösung eine Lebensdauer der Protonenaustauschmembran 3 um ein Vielfaches.The carbon nanotubes 2 go through, as in 6 shown, an entire cross section of the catalyst layer 5 ie, in the example shown here from the two catalyst layers 7 . 8th formed common catalyst layer 5 , from the proton exchange membrane 3 to the gas diffusion layer 4 so that the electrochemical reaction in the fuel cell over the entire catalyst layer 5 is distributed. It is done by means of carbon nanotubes 2 an entire thickness of the catalyst layer 5 whereas in prior art membrane electrode assemblies, only one edge region in the region of the proton exchange membrane is utilized. As a result, a lifetime of the proton exchange membrane increases by means of the solution according to the invention 3 by a multiple.

Um dies zu erreichen, wird zunächst die Katalysatordispersion 1 mit den Kohlenstoffnanoröhren 2 erzeugt, welche dann auf die Protonenaustauschmembran 3 und/oder auf die Gasdiffusionsschicht 4 aufgebracht wird. Durch das Aufbringen auf die Protonenaustauschmembran 3 wird eine katalysatorbeschichtete Membran erzeugt, auch als catalyst coated membran (CCM) bezeichnet. Während einer Trocknungsphase wird die Katalysatordispersion 1 in der Protonenaustauschmembran 3 bzw. in der Gasdiffusionsschicht 4 infiltriert. Es bilden sich nach dem Zusammenfügen der Gasdiffusionsschicht 4 und der Protonenaustauschmembran 3 durch die Kohlenstoffnanoröhren 2 Brücken durch die offene poröse Struktur, welche die vorteilhaften Eigenschaften der Membranelektrodenanordnung 6 bewirken und die Katalysatorschicht 5 an der Gasdiffusionsschicht 4 bzw. der Protonenaustauschmembran 3 festhalten.To achieve this, first the catalyst dispersion 1 with the carbon nanotubes 2 generated, which then on the proton exchange membrane 3 and / or on the gas diffusion layer 4 is applied. By application to the proton exchange membrane 3 a catalyst-coated membrane is produced, also referred to as a catalyst coated membrane (CCM). During a drying phase, the catalyst dispersion 1 in the proton exchange membrane 3 or in the gas diffusion layer 4 infiltrated. They form after assembly of the gas diffusion layer 4 and the proton exchange membrane 3 through the carbon nanotubes 2 Bridges through the open porous structure showing the advantageous properties of the membrane electrode assembly 6 cause and the catalyst layer 5 at the gas diffusion layer 4 or the proton exchange membrane 3 hold tight.

Vorzugsweise wird die Katalysatordispersion 1, wie in 5 dargestellt, auf eine mikroporöse Lage 9 der Gasdiffusionsschicht 4 aufgebracht. Dadurch ist ein besonders gutes Infiltrieren der Gasdiffusionsschicht 4 ermöglicht, durch das Infiltrieren der mikroporösen Lage 9. Preferably, the catalyst dispersion 1 , as in 5 shown on a microporous layer 9 the gas diffusion layer 4 applied. This is a particularly good infiltration of the gas diffusion layer 4 allows, by infiltrating the microporous layer 9 ,

Die Kohlenstoffnanoröhren 2 der Katalysatordispersion 1 weisen einen Durchmesser von 10 nm bis 50 nm und/oder eine Länge von 1 μm bis 20 μm auf. Diese Dimensionen der Kohlenstoffnanoröhren 2 sind ein wesentliches Kriterium, um die oben beschriebenen besonders verbesserten Eigenschaften der Katalysatordispersion 1 und damit der Membranelektrodenanordnung 6 zu erreichen.The carbon nanotubes 2 the catalyst dispersion 1 have a diameter of 10 nm to 50 nm and / or a length of 1 micron to 20 microns. These dimensions of carbon nanotubes 2 are an essential criterion for the above-described particularly improved properties of the catalyst dispersion 1 and thus the membrane electrode assembly 6 to reach.

Vorzugsweise wird die Katalysatordispersion derart erzeugt, dass sie 0,1 bis 10 Gew.-% (Gewichtsprozent) Kohlenstoffnanoröhren aufweist, vorzugsweise 1 bis 10 Gew.-% und weiter bevorzugt 1 bis 2 Gew.-%. Diese Zusammensetzung der Katalysatordispersion 1 ist ebenfalls ein wesentliches Kriterium, um die oben beschriebenen besonders verbesserten Eigenschaften der Katalysatordispersion 1 und der Membranelektrodenanordnung 6 zu erreichen.Preferably, the catalyst dispersion is formed to contain from 0.1 to 10 weight percent (by weight) carbon nanotubes, preferably from 1 to 10 weight percent, and more preferably from 1 to 2 weight percent. This composition of catalyst dispersion 1 is also an essential criterion for the above-described particularly improved properties of the catalyst dispersion 1 and the membrane electrode assembly 6 to reach.

In dem in 1 dargestellten Verfahrensablauf zur Herstellung der Katalysatordispersion 1 werden folgende Hauptschritte durchgeführt:

  • – Vermischen der Kohlenstoffnanoröhren 2 mit Wasser und ein nachfolgendes Homogenisieren,
  • – Entflechten und Verteilen der Kohlenstoffnanoröhren 2 unter Druck,
  • – Zugabe von Ionomeren,
  • – Mischen
  • – Zugabe von Katalysatorpuder,
  • – Mikrofluidisieren.
In the in 1 process shown for the preparation of the catalyst dispersion 1 the following main steps are carried out:
  • - mixing the carbon nanotubes 2 with water and a subsequent homogenization,
  • - Disentangling and distributing the carbon nanotubes 2 vacuum,
  • Addition of ionomers,
  • - Mix
  • - addition of catalyst powder,
  • - Microfluidizing.

In einem Ausführungsbeispiel werden die Kohlenstoffnanoröhren 2 in einem ersten Verfahrensschritt V1 zunächst mit Wasser vermischt und zum Beispiel durch einen Ultraschallstab beispielsweise mit 367 KJ behandelt, um eine Homogenisierung der Agglomerate zu erreichen. Anschließend werden in einem zweiten Verfahrensschritt V2 die Kohlenstoffnanoröhren 2 des Gemischs durch eine, zwei oder mehr Reaktionskammern entflochten und im Gemisch verteilt, beispielsweise mit einem Druck von jeweils ca. 17000 psi, dies entspricht ca. 117210873,981 Pa. Danach werden in einem dritten Verfahrensschritt V3 Ionomere zu dem Gemisch zugeführt und in einem vierten Verfahrensschritt V4 in einer Mischeinrichtung vermengt.In one embodiment, the carbon nanotubes become 2 in a first method step V1 first mixed with water and treated for example by an ultrasonic rod, for example, 367 KJ, in order to achieve homogenization of the agglomerates. Subsequently, in a second method step V2, the carbon nanotubes become 2 of the mixture is unbound by one, two or more reaction chambers and distributed in a mixture, for example at a pressure of about 17000 psi, this corresponds to about 117210873.981 Pa. Thereafter, in a third process step V3, ionomers are added to the mixture and mixed in a fourth process step V4 in a mixing device.

Dann wird in einem fünften Verfahrensschritt V5 Katalysatorpuder zu dem Gemisch beigemengt. Das Katalysatorpuder ist beispielsweise ein herkömmliches so genanntes C-geträgertes Pt-Material oder ein amorphes C-geträgertes Pt-Material. Diese Materialien sind Kohlenstoffmaterialien, denen Platin zugesetzt ist. Das Gemisch wird dann mikrofluidisiert. Dies findet beispielsweise in einem, in zwei oder mehr Schritten und in einer, in zwei oder in mehreren Reaktionskammern unter Druck statt, im hier dargestellten Beispiel in einem sechsten Verfahrensschritt V6 zunächst in einer Reaktionskammer mit einem Druck von ca. 17000 psi, dies entspricht ca. 117210873,981 Pa, und danach in einem siebten Verfahrensschritt V7 in einer Reaktionskammer mit ca. 2000 psi, dies entspricht ca. 13789514,586 Pa. Dies liefert besonders homogene Ergebnisse. Die Drücke können zwischen 2000 psi, dies sind ca. 13789514,586 Pa, und 20000 psi, dies sind ca. 137895145,86 Pa, liegen.Then, in a fifth process step V5 catalyst powder is added to the mixture. The catalyst powder is, for example, a conventional so-called C-supported Pt material or an amorphous C-supported Pt material. These materials are carbon materials to which platinum is added. The mixture is then microfluidized. This takes place for example in one, in two or more steps and in one, in two or more reaction chambers under pressure, in the example shown here in a sixth step V6 first in a reaction chamber with a pressure of about 17000 psi, this corresponds to approx 117210873.981 Pa, and thereafter in a seventh process step V7 in a reaction chamber of about 2000 psi, this corresponds to about 13789514.586 Pa. This provides particularly homogeneous results. The pressures can be between 2000 psi, this is about 13789514.586 Pa, and 20000 psi, which is about 137895145.86 Pa.

Die für das Mikrofluidisieren verwendeten Mikrofluidisierer, auch als microfluidizer oder microfluidizer processors bezeichnet, sind Geräte, mit denen Stoffgemische homogenisiert werden können. Die Mikrofluidisierung kann, wie bereits beschrieben, in ein, zwei oder mehr Schritten durchgeführt werden, wobei bei jedem Schritt ein unterschiedlicher Druck zwischen 2000 psi und 20000 psi angewendet werden kann.The microfluidizers used for microfluidizing, also referred to as microfluidizers or microfluidizer processors, are devices with which mixtures of substances can be homogenized. Microfluidization may be performed in one, two, or more steps, as previously described, with a different pressure between 2000 psi and 20000 psi applied to each step.

Durch einen solchen Verfahrensablauf zur Herstellung der Katalysatordispersion 1 wird eine vorgegebene Viskosität der Katalysatordispersion 1 erreicht, um ein nachfolgendes Auftragen der Katalysatordispersion 1 auf die Protonenaustauschmembran 3 und/oder auf die Gasdiffusionsschicht 4 mit einer vorgegebenen Qualität zu ermöglichen. Die vorgegebene Viskosität der Katalysatordispersion 1 beträgt vorzugsweise zwischen 0,03 Pa·s und 0,15 Pa·s. Die Zielviskosität, d. h. die vorgegebene Viskosität, welche die Katalysatordispersion 1 aufweisen soll, kann durch den Druck bei der Mikrofluidisierung eingestellt werden. Ein erhöhter Druck ergibt eine erhöhte Viskosität. Ein niedriger Druck ergibt eine niedrige Viskosität.By such a process for the preparation of the catalyst dispersion 1 becomes a given viscosity of the catalyst dispersion 1 achieved to subsequently apply the catalyst dispersion 1 on the proton exchange membrane 3 and / or on the gas diffusion layer 4 to enable with a given quality. The predetermined viscosity of the catalyst dispersion 1 is preferably between 0.03 Pa · s and 0.15 Pa · s. The target viscosity, ie the predetermined viscosity, which is the catalyst dispersion 1 should be adjusted by the pressure in the microfluidization. Increased pressure results in increased viscosity. A low pressure gives a low viscosity.

Vorzugsweise wird die Katalysatordispersion 1 auf die Protonenaustauschmembran 3 und/oder auf die Gasdiffusionsschicht 4 mittels eines Druckverfahrens aufgebracht. Dies ist eine einfache Möglichkeit zum exakten Aufbringen der Katalysatordispersion 1, insbesondere auch in einer jeweils vorgegebenen Dicke.Preferably, the catalyst dispersion 1 on the proton exchange membrane 3 and / or on the gas diffusion layer 4 applied by means of a printing process. This is a simple way to accurately apply the catalyst dispersion 1 , in particular also in a respective predetermined thickness.

Zum Aufbringen der Katalysatordispersion 1 auf die Protonenaustauschmembran 3 wird vorzugsweise ein Tiefdruckverfahren verwendet, vorzugsweise ein so genanntes Gravur-Tiefdruckverfahren, insbesondere ein Mikrogravurdruckverfahren. Dieses Verfahren wird mit einer Tiefdruck-Gravurmaschine durchgeführt, die eine Druckwalze mit gravierten Vertiefungen aufweist, insbesondere Mikrovertiefungen, welche die Katalysatordispersion 1 aufnehmen und anschließend auf der Protonenaustauschmembran 3 abscheiden. D. h. die Katalysatordispersion 1 wird mittels der Tiefdruck-Gravurmaschine und einer Walze auf der Protonenaustauschmembran 3 abgestrichen.For applying the catalyst dispersion 1 on the proton exchange membrane 3 Preferably, a gravure printing method is used, preferably a so-called gravure gravure printing method, in particular a microgravure printing method. This method is carried out with a gravure engraving machine having a pressure roller with engraved depressions, in particular microwells, which the catalyst dispersion 1 and then on the proton exchange membrane 3 deposit. Ie. the catalyst dispersion 1 is by means of the gravure engraving machine and a roller on the proton exchange membrane 3 swabbed.

Die Druckwalze wird dabei über die Fläche der Protonenaustauschmembran 3, auf welcher die Katalysatordispersion 1 aufzubringen ist, abgerollt. Auf der anderen Seite der Protonenaustauschmembran 3 kann eine Gegenwalze die Protonenaustauschmembran 3 halten und an die Druckwalze, welche die Katalysatordispersion 1 aufträgt, andrücken. Dies muss jedoch nicht sein. Bei dem Mikrogravurdruckverfahren wird eine solche Gegenwalze nicht verwendet, sondern die Druckwalze wird bevorzugt entgegengesetzt zu einer Transportrichtung der Protonenaustauschmembran 3 gedreht, so dass die Katalysatordispersion 1 auf der Protonenaustauschmembran 3 abgestrichen wird, ohne während des Aufbringens abrupt abzureißen. Der Auftrag der Katalysatordispersion 1, d. h. die Menge, Verteilung und Schichtdicke, ist unter anderem abhängig von der Art, der Tiefe und der Verteilung der Vertiefungen auf der Druckwalze, von der Transportgeschwindigkeit der Protonenaustauschmembran 3 und von der Drehgeschwindigkeit der Druckwalze.The pressure roller is thereby over the surface of the proton exchange membrane 3 on which the catalyst dispersion 1 is to be applied, unrolled. On the other side of the proton exchange membrane 3 a counter roll can be the proton exchange membrane 3 and to the pressure roller, which is the catalyst dispersion 1 applies, press on. This does not have to be. In the microgravure printing method, such a counter roller is not used, but the pressure roller is preferably opposite to a transport direction of the proton exchange membrane 3 rotated so that the catalyst dispersion 1 on the proton exchange membrane 3 is stripped off without abruptly breaking during application. The order of the catalyst dispersion 1 That is, the amount, distribution and layer thickness, among other things, depends on the type, the depth and the distribution of the depressions on the pressure roller, the transport speed of the proton exchange membrane 3 and the rotational speed of the pressure roller.

Zum Aufbringen der Katalysatordispersion 1 auf die Gasdiffusionsschicht 4 können dem Fachmann bekannte Druckverfahren oder auch andere Beschichtungsverfahren verwendet werden. Besonders bevorzugt wird die Katalysatordispersion 1 auf die Gasdiffusionsschicht 4 mittels Schlitzdüsenbeschichtung aufgebracht, vorteilhafterweise mittels einer Vorrichtung zur Schlitzdüsenbeschichtung, welche eine oder mehrere Lippen an der Schlitzdüse aufweist, die das mittels der Schlitzdüse aufgetragen Material, d. h. die Katalysatordispersion 1, in einer jeweils vorgegebenen Schichtdicke verteilen und etwas andrücken, so dass eine gut haftende Schicht entsteht. Dieses Verfahren wird auch als Lip Coating bezeichnet und ist eine spezielle Ausgestaltung des so genannten Slot Coatings oder Slot Die Coatings, d. h. der Schlitzdüsenbeschichtung. Ausführungsformen dieses Slot Coatings oder Slot Die Coatings, d. h. des Verfahrens, welches zum Aufbringen der Katalysatordispersion 1 auf die Gasdiffusionsschicht 4 verwendet wird, sind in den folgenden Druckschriften näher beschrieben:

  • – F. Durst, Wagner, H.-G., Liquid Film Coating, Kapitel 11a, S. 401–426, Chapman & Hall, 1997 .
  • – Z. W. Zhong, X. C. Shan, S. J. Wong, Roll-to-roll large_format slot die coating of photosensitive resin for UV embossing, Microsyst Technol 17 (2011) 1703–1711
  • – WO 2010/020594 A1
For applying the catalyst dispersion 1 on the gas diffusion layer 4 For example, printing processes known to those skilled in the art or else other coating processes can be used. Particularly preferred is the catalyst dispersion 1 on the gas diffusion layer 4 applied by means of slot die coating, advantageously by means of a slot die coating device which has one or more lips on the slot die, the material applied by means of the slot die, ie the catalyst dispersion 1 , Distribute in a predetermined layer thickness and press something, so that a well-adherent layer is formed. This process is also referred to as lip coating and is a special embodiment of the so-called slot coatings or slot coatings, ie the slot nozzle coating. Embodiments of this Slot Coatings or Slot The Coatings, ie the method which is used for applying the catalyst dispersion 1 on the gas diffusion layer 4 are used, are described in more detail in the following publications:
  • - F. Durst, Wagner, H.-G., Liquid Film Coating, Chapter 11a, pp. 401-426, Chapman & Hall, 1997 ,
  • - ZW Zhong, XC Shan, SJ Wong, roll-to-roll large format slot the coating of photosensitive resin for UV embossing, Microsyst Technol 17 (2011) 1703-1711
  • - WO 2010/020594 A1

Die Katalysatordispersion 1 wird zweckmäßigerweise nach dem Aufbringen auf die Protonenaustauschmembran 3 oder die Gasdiffusionsschicht 4 durch Wärmeeinwirkung getrocknet. Dies kann induktiv, mittels Infrarotbestrahlung, in einem Wärmeofen oder mittels anderer Wärmebehandlungen erfolgen. Durch die Wärmeeinwirkung wird die Katalysatordispersion 1 kontrolliert getrocknet und es ist eine schnelle Weiterverarbeitung möglich, um die Membranelektrodenanordnung 6 auszubilden, d. h. die Protonenaustauschmembran 3 und die Gasdiffusionsschicht 4, wobei zumindest eine der beiden eine mittels der Katalysatordispersion 1 ausgebildete Katalysatorschicht 7, 8 aufweist, können sofort nach dem vollständigen Trocknen oder zumindest Antrocknen der Katalysatordispersion 1 zur Membranelektrodenanordnung 6 zusammengefügt werden, wie in 7 beispielhaft dargestellt.The catalyst dispersion 1 is suitably after application to the proton exchange membrane 3 or the gas diffusion layer 4 dried by heat. This can be done inductively, by means of infrared radiation, in a heating furnace or by means of other heat treatments. The effect of heat causes the catalyst to disperse 1 dried dried and it is a fast processing possible to the membrane electrode assembly 6 form, ie the proton exchange membrane 3 and the gas diffusion layer 4 , wherein at least one of the two by means of the catalyst dispersion 1 formed catalyst layer 7 . 8th can, immediately after complete drying or at least drying of the catalyst dispersion 1 to the membrane electrode assembly 6 be merged as in 7 exemplified.

Der Ablauf der Herstellung der Membranelektrodenanordnung 6 wird im Folgenden nochmals zusammenfassend beschrieben. Zunächst wird, wie in 1 dargestellt und oben bereits beschieben, die Katalysatordispersion 1 hergestellt, mit ein bis zwei Gewichtsprozent Kohlenstoffnanoröhren 2, welche beispielsweise eine Länge von 12 μm aufweisen. Diese Kohlenstoffnanoröhren 2 werden beispielsweise von einem Hersteller in einer entsprechenden Verpackung angeliefert und müssen daher im Verfahren zur Herstellung der Katalysatordispersion 1 auf die oben beschriebene Weise homogenisiert, entflochten und verteilt werden. Danach werden die weiteren Bestandteile zugemischt und das Gemisch wird mikrofluidisiert, wie oben beschrieben, um die vorgegebene Viskosität zu erreichen.The sequence of manufacture of the membrane electrode assembly 6 will be summarized below. First, as in 1 represented and already beschieben above, the catalyst dispersion 1 made with one to two percent by weight carbon nanotubes 2 , which for example have a length of 12 microns. These carbon nanotubes 2 are supplied for example by a manufacturer in a corresponding packaging and must therefore in the process for the preparation of the catalyst dispersion 1 be homogenized, unbundled and distributed in the manner described above. Thereafter, the other ingredients are mixed in and the mixture is microfluidized as described above to achieve the predetermined viscosity.

Diese Katalysatordispersion 1 wird nun, wie in 4 dargestellt und wie oben beschrieben, auf die Protonenaustauschmembran 3 aufgetragen, mittels des Mikrogravurdruckverfahrens. Anschließend wird die Katalysatordispersion 1 durch Wärmebehandlung getrocknet oder zumindest angetrocknet. Beispielsweise erfolgt die Wärmebehandlung in einem Ofen, zum Beispiel durch Infraroteinwirkung, für ca. vier Minuten mit einer Temperatur von ca. 85°C. Vor dieser Trocknung durch Wärmebehandlung können in einer möglichen Ausführungsform auch zusätzlich lose Kohlenstoffnanoröhren 2 auf die noch feuchte Oberfläche der Katalysatordispersion 1 dosiert werden. Dadurch könnten eine nachfolgende Verbindung mit der Gasdiffusionsschicht 4 bzw. mit der auf dieser angeordneten Katalysatorschicht 8 und die Eigenschaften der Membranelektrodenanordnung 6 nochmals verbessert werden. Dies ist aber nicht unbedingt erforderlich, da zumindest einige der Kohlenstoffnanoröhren 2 nach oben aus der Katalysatorschicht 7 herausragen, wie in 4 dargestellt, so dass auch bereits durch diese Kohlenstoffnanoröhren 2 eine solche Verbesserung der Eigenschaften der Membranelektrodenanordnung 6 erreicht wird. Diese Kohlenstoffnanoröhren 2 ragen dann in der Membranelektrodenanordnung 6 in die Gasdiffusionsschicht 4, d. h. in deren mikroporöse Lage 9 und, wenn vorhanden, in deren Katalysatorschicht 8 hinein, so dass eine gute Verbindung der Membranelektrodenanordnung 6 und die oben beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften der Membranelektrodenanordnung 6 erreicht werden.This catalyst dispersion 1 will now, as in 4 represented and described above, on the proton exchange membrane 3 applied by means of microgravure printing method. Subsequently, the catalyst dispersion 1 dried by heat treatment or at least dried. For example, the heat treatment is carried out in an oven, for example by infrared, for about four minutes at a temperature of about 85 ° C. Before this drying by heat treatment can also loose carbon nanotubes in a possible embodiment 2 on the still moist surface of the catalyst dispersion 1 be dosed. This could allow a subsequent connection with the gas diffusion layer 4 or with the catalyst layer arranged thereon 8th and the properties of the membrane electrode assembly 6 be improved again. However, this is not absolutely necessary since at least some of the carbon nanotubes 2 up from the catalyst layer 7 stand out as in 4 so that already through these carbon nanotubes 2 such an improvement in the properties of the membrane electrode assembly 6 is reached. These carbon nanotubes 2 then protrude in the membrane electrode assembly 6 in the gas diffusion layer 4 ie in their microporous location 9 and, if present, in its catalyst layer 8th into it, allowing a good connection of the membrane electrode assembly 6 and the above-described advantageous properties of the membrane electrode assembly 6 be achieved.

Alternativ oder, wie in diesem Ausführungsbeispiel in 5 dargestellt, zusätzlich wird die Katalysatordispersion 1 auf die Gasdiffusionsschicht 4 aufgetragen, wie oben beschrieben. Dies erfolgt bevorzugt mittels Schlitzdüsenbeschichtung, vorteilhafterweise mittels der Vorrichtung zur Schlitzdüsenbeschichtung, welche eine oder mehrere Lippen an der Schlitzdüse aufweist, die das mittels der Schlitzdüse aufgetragen Material, d. h. die Katalysatordispersion 1, in einer jeweils vorgegebenen Schichtdicke verteilen und etwas andrücken, so dass eine gut haftende Schicht entsteht. Auch hier wird die Katalysatordispersion 1 anschließend mittels einer Wärmebehandlung getrocknet oder zumindest angetrocknet, wobei in einer möglichen Ausführungsform auch hier zusätzlich lose Kohlenstoffnanoröhren 2 auf die noch feuchte Oberfläche der Katalysatordispersion 1 dosiert werden können. Dadurch könnten eine nachfolgende Verbindung mit der Protonenaustauschmembran 3 bzw. mit der auf dieser angeordneten Katalysatorschicht 7 und die Eigenschaften der Membranelektrodenanordnung 6 nochmals verbessert werden. Dies ist aber nicht unbedingt erforderlich, da zumindest einige der Kohlenstoffnanoröhren 2 nach oben aus der Katalysatorschicht 8 herausragen, wie in 5 dargestellt, so dass auch bereits durch diese Kohlenstoffnanoröhren 2 eine solche Verbesserung der Eigenschaften der Membranelektrodenanordnung 6 erreicht wird. Diese Kohlenstoffnanoröhren 2 ragen dann in der Membranelektrodenanordnung 6 in die Protonenaustauschmembran 3 und, wenn vorhanden, in deren Katalysatorschicht 7 hinein, so dass eine gute Verbindung der Membranelektrodenanordnung 6 und die oben beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften der Membranelektrodenanordnung 6 erreicht werden. Die erwähnte Wärmebehandlung erfolgt hier beispielsweise in einem Ofen, zum Beispiel durch Infraroteinwirkung, für ca. vier Minuten mit einer Temperatur von ca. 365°C bis 410°C.Alternatively or, as in this embodiment in FIG 5 shown, in addition, the catalyst dispersion 1 on the gas diffusion layer 4 applied as described above. This is preferably done by means of slot die coating, advantageously by means of the device for slot die coating, which has one or more lips on the slot nozzle, the material applied by means of the slot nozzle material, ie the catalyst dispersion 1 , Distribute in a predetermined layer thickness and press something, so that a well-adherent layer is formed. Again, the catalyst dispersion 1 subsequently dried by means of a heat treatment or at least dried, wherein in a possible embodiment here also loose carbon nanotubes 2 on the still moist surface of the catalyst dispersion 1 can be dosed. This could allow a subsequent connection with the proton exchange membrane 3 or with the catalyst layer arranged thereon 7 and the properties of the membrane electrode assembly 6 be improved again. However, this is not absolutely necessary since at least some of the carbon nanotubes 2 up from the catalyst layer 8th stand out as in 5 so that already through these carbon nanotubes 2 such an improvement in the properties of the membrane electrode assembly 6 is reached. These carbon nanotubes 2 then protrude in the membrane electrode assembly 6 into the proton exchange membrane 3 and, if present, in its catalyst layer 7 into it, allowing a good connection of the membrane electrode assembly 6 and the above-described advantageous properties of the membrane electrode assembly 6 be achieved. The mentioned heat treatment takes place here for example in an oven, for example by infrared action, for about four minutes at a temperature of about 365 ° C to 410 ° C.

Die derart mit der Katalysatorschicht 8 beschichtete oder in anderen Ausführungsbeispielen unbeschichtete Gasdiffusionsschicht 4 und die derart mit der Katalysatorschicht 7 beschichtete oder in anderen Ausführungsbeispielen unbeschichtete Protonenaustauschmembran 3 können jeweils als Rollenware vorliegen. Dann sind zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung 6 in einem ersten Schritt S1 zunächst zweckmäßigerweise zwei der in diesem Beispiel beschichteten Gasdiffusionsschichten 4 und die in diesem Beispiel beschichtete Protonenaustauschmembran 3, welche nach der Beschichtung mit der Katalysatordispersion 1 auch als catalyst coated membran (CCM) bezeichnet wird, von jeweils einer Rolle abzurollen und zuzuschneiden. Anschließend ist in einem zweiten Schritt S2 auf die in diesem Beispiel beschichteten oder in anderen Beispielen unbeschichteten Gasdiffusionsschichten 4 ein Fügemittel, beispielsweise ein Klebstoff, für eine stoffschlüssige Verbindung der Gasdiffusionsschichten 4 und der Protonenaustauschmembran 3 mit jeweils einer dazwischen angeordneten Katalysatorschicht 5 aufzubringen.The so with the catalyst layer 8th coated or in other embodiments uncoated gas diffusion layer 4 and those with the catalyst layer 7 coated or in other embodiments uncoated proton exchange membrane 3 can each be available as roll goods. Then, for manufacturing the membrane electrode assembly 6 in a first step S1, initially expediently two of the gas diffusion layers coated in this example 4 and the proton exchange membrane coated in this example 3 which after coating with the catalyst dispersion 1 Also known as a catalyst coated membrane (CCM) is to roll off each of a roll and cut. Subsequently, in a second step S2, the gas diffusion layers coated in this example or in other examples are uncoated 4 a joining agent, for example an adhesive, for a cohesive connection of the gas diffusion layers 4 and the proton exchange membrane 3 each with a catalyst layer disposed therebetween 5 applied.

In einem dritten Schritt S3 ist die Membranelektrodenanordnung 6 zu laminieren, d. h. die Protonenaustauschmembran 3 und zweckmäßigerweise zwei Gasdiffusionsschichten 4 werden derart zueinander positioniert und zusammengefügt, dass die Katalysatorschicht 5, welche im hier dargestellten Beispiel aus den zwei Katalysatorschichten 7, 8 gebildet wird, zwischen der Protonenaustauschmembran 3 und der jeweiligen Gasdiffusionsschicht 4 angeordnet ist, und mittels des Fügemittels miteinander verbunden. D. h. es wird, gleichzeitig oder nacheinander, an jeder Seite der Protonenaustauschmembran 3 eine Gasdiffusionsschicht 4 angeordnet, wobei die Protonenaustauschmembran 3 und die jeweilige Gasdiffusionsschicht 4 derart zueinander positioniert und zusammengefügt werden, dass die Katalysatorschicht 5 zwischen der Protonenaustauschmembran 3 und der jeweiligen Gasdiffusionsschicht 4 angeordnet ist. Das Fügemittel kann beispielsweise durch Druck, UV-Bestrahlung, Infrarotbestrahlung, durch Luft, durch Feuchtigkeit oder auf andere Weise aktiviert und/oder ausgehärtet werden. In einem vierten Schritt S4 wird dann die Membranelektrodenanordnung 6 zugeschnitten und ist damit fertiggestellt, so dass sie in eine Brennstoffzelle eingesetzt werden kann.In a third step S3, the membrane electrode assembly 6 to laminate, ie the proton exchange membrane 3 and expediently two gas diffusion layers 4 are positioned and joined together in such a way that the catalyst layer 5 , which in the example shown here from the two catalyst layers 7 . 8th is formed between the proton exchange membrane 3 and the respective gas diffusion layer 4 is arranged, and connected to each other by means of the joining means. Ie. it is, simultaneously or sequentially, on each side of the proton exchange membrane 3 a gas diffusion layer 4 arranged, the proton exchange membrane 3 and the respective gas diffusion layer 4 be positioned and joined together such that the catalyst layer 5 between the proton exchange membrane 3 and the respective gas diffusion layer 4 is arranged. For example, the joining agent may be activated and / or cured by pressure, UV radiation, infrared radiation, air, moisture, or otherwise. In a fourth step S4 then the membrane electrode assembly 6 is tailored and thus completed, so that it can be used in a fuel cell.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Katalysatordispersioncatalyst dispersion
22
KohlenstoffnanoröhrenCarbon nanotubes
33
ProtonenaustauschmembranProton exchange membrane
44
GasdiffusionsschichtGas diffusion layer
55
Katalysatorschichtcatalyst layer
66
MembranelektrodenanordnungMembrane electrode assembly
77
Katalysatorschicht auf der ProtonenaustauschmembranCatalyst layer on the proton exchange membrane
88th
Katalysatorschicht auf der GasdiffusionsschichtCatalyst layer on the gas diffusion layer
99
mikroporöse Lagemicroporous layer
TT
Katalysatortintecatalyst ink
U1U1
erste Untersuchungsschalefirst examination shell
U2U2
zweite Untersuchungsschalesecond examination dish
S1S1
erster Schrittfirst step
S2S2
zweiter Schrittsecond step
S3S3
dritter SchrittThird step
S4S4
vierter Schrittfourth step
V1V1
erster Verfahrensschrittfirst process step
V2V2
zweiter Verfahrensschrittsecond process step
V3V3
dritter Verfahrensschrittthird process step
V4 V4
vierter Verfahrensschrittfourth process step
V5V5
fünfter Verfahrensschrittfifth process step
V6V6
sechster Verfahrensschrittsixth process step
V7V7
siebter Verfahrensschrittseventh process step

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • WO 2010/020594 A1 [0064] WO 2010/020594 A1 [0064]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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Claims (10)

Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung (6), dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Protonenaustauschmembran (3) und/oder auf einer Gasdiffusionsschicht (4) eine Katalysatorschicht (7, 8) ausgebildet wird, welche Kohlenstoffnanoröhren (2) aufweist, wobei die Protonenaustauschmembran (3) und die Gasdiffusionsschicht (4) derart zusammengefügt werden, dass die Katalysatorschicht (7, 8) zwischen der Protonenaustauschmembran (3) und der Gasdiffusionsschicht (4) angeordnet ist.Method for producing a membrane electrode assembly ( 6 ), characterized in that on a proton exchange membrane ( 3 ) and / or on a gas diffusion layer ( 4 ) a catalyst layer ( 7 . 8th ), which carbon nanotubes ( 2 ), wherein the proton exchange membrane ( 3 ) and the gas diffusion layer ( 4 ) are joined together such that the catalyst layer ( 7 . 8th ) between the proton exchange membrane ( 3 ) and the gas diffusion layer ( 4 ) is arranged. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Katalysatordispersion (1) mit den Kohlenstoffnanoröhren (2) erzeugt wird, welche auf die Protonenaustauschmembran (3) und/oder auf die Gasdiffusionsschicht (4) aufgebracht wird.Process according to Claim 1, characterized in that a catalyst dispersion ( 1 ) with the carbon nanotubes ( 2 ), which act on the proton exchange membrane ( 3 ) and / or on the gas diffusion layer ( 4 ) is applied. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatordispersion (1) auf eine mikroporöse Lage (9) der Gasdiffusionsschicht (4) aufgebracht wird.Process according to Claim 2, characterized in that the catalyst dispersion ( 1 ) to a microporous layer ( 9 ) of the gas diffusion layer ( 4 ) is applied. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatordispersion (1) mit Kohlenstoffnanoröhren (2) erzeugt wird, welche einen Durchmesser von 10 nm bis 50 nm und/oder eine Länge von 1 μm bis 20 μm aufweisen.Process according to Claim 2 or 3, characterized in that the catalyst dispersion ( 1 ) with carbon nanotubes ( 2 ) is produced, which have a diameter of 10 nm to 50 nm and / or a length of 1 micron to 20 microns. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatordispersion (1) derart erzeugt wird, dass sie ein Gewichtsprozent bis zwei Gewichtsprozent Kohlenstoffnanoröhren (2) aufweist.Method according to one of claims 2 to 4, characterized in that the catalyst dispersion ( 1 ) is produced in such a way that it contains one to two percent by weight carbon nanotubes ( 2 ) having. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Katalysatordispersion (1) folgende Schritte durchgeführt werden: – Vermischen der Kohlenstoffnanoröhren (2) mit Wasser und ein nachfolgendes Homogenisieren,. – Entflechten und Verteilen der Kohlenstoffnanoröhren (2) unter Druck, – Zugabe von Ionomeren, – Mischen – Zugabe von Katalysatorpuder, – Mikrofluidisieren.Method according to one of claims 2 to 5, characterized in that for generating the catalyst dispersion ( 1 ) the following steps are carried out: mixing the carbon nanotubes ( 2 ) with water and a subsequent homogenization ,. - unbundling and distribution of the carbon nanotubes ( 2 ) under pressure, - addition of ionomers, - mixing - addition of catalyst powder, - microfluidization. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatordispersion (1) auf die Protonenaustauschmembran (3) und/oder auf die Gasdiffusionsschicht (4) mittels eines Druckverfahrens aufgebracht wird.Method according to one of claims 2 to 6, characterized in that the catalyst dispersion ( 1 ) on the proton exchange membrane ( 3 ) and / or on the gas diffusion layer ( 4 ) is applied by means of a printing process. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatordispersion (1) auf die Protonenaustauschmembran (3) mittels eines Mikrogravurdruckverfahrens aufgebracht wird.Process according to Claim 7, characterized in that the catalyst dispersion ( 1 ) on the proton exchange membrane ( 3 ) is applied by means of a microgravure printing process. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatordispersion (1) auf die Gasdiffusionsschicht (4) mittels Schlitzdüsenbeschichtung aufgebracht wird.Method according to one of claims 2 to 8, characterized in that the catalyst dispersion ( 1 ) on the gas diffusion layer ( 4 ) is applied by means of slot die coating. Verfahren nach Anspruch 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatordispersion (1) nach dem Aufbringen durch Wärmeeinwirkung getrocknet wird.Process according to Claims 2 to 9, characterized in that the catalyst dispersion ( 1 ) is dried after application by the action of heat.
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