DE102018215904A1 - Method of manufacturing a membrane electrode assembly for a fuel cell - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektrodeneinheit (MEA) für eine Brennstoffzelle (100), die eine Elektrodeneinheit (MPL) aufweist, die dazu ausgeführt ist, als eine Gasdiffusionslage (GDL) zu dienen, aufweisend folgende Schritte:1) Bereitstellen von partikelförmigen Komponenten (a, b):a) eines Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulats,b) eines polyvinylidenfluoridhaltigen Granulats (PVDF),2) Vermischen von wenigstens einem Teil der Komponente a) mit der Komponente b) bis die Komponente b) an Partikeln der Komponente a) anhaftet,3) Vermischen einer im Schritt 2) gewonnenen Vormischung mit einem restlichen Teil der Komponente a),4) Auswalzen oder Extrudieren einer im Schritt 3) gewonnenen Mischung zu einem bandförmigen Material, welches die Elektrodeneinheit (MPL) bildet.The invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly (MEA) for a fuel cell (100), which has an electrode assembly (MPL) that is designed to serve as a gas diffusion layer (GDL), comprising the following steps: 1) Providing of particulate components (a, b): a) carbon and / or graphite granules, b) polyvinylidene fluoride-containing granules (PVDF), 2) mixing at least part of component a) with component b) until component b) ) adheres to particles of component a), 3) mixing a premix obtained in step 2) with a remaining part of component a), 4) rolling out or extruding a mixture obtained in step 3) into a strip-like material which the electrode unit (MPL ) forms.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Membran-Elektrodeneinheit nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch. Zudem betrifft die Erfindung eine entsprechende Brennstoffzelle nach dem nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruch.The invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell according to the independent method claim. Furthermore, the invention relates to a corresponding membrane electrode unit according to the independent device claim. In addition, the invention relates to a corresponding fuel cell according to the independent independent device claim.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler. Bei Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzellen oder einfach kurz PEM-Brennstoffzellen werden die Reaktanten Wasserstoff und Sauerstoff zur Energiegewinnung in Wasser, elektrische Energie und Wärme umgewandelt. Nach dem Stand der Technik werden PEM-Brennstoffzellen als Stapel aus Wiederholeinheiten, umfassend einen Kathodenbereich, eine Bipolarplatte, einen Anodenbereich und eine Membran-Elektrodeneinheit aufgebaut. Die Bipolarplatte ist elektrisch leitfähig, aber für Gase und Ionen undurchlässig. Die Bipolarplatte verteilt mittels einer Stegstruktur im Millimeterbereich im Anodenbereich z. B. Wasserstoffgas und im Kathodenbereich z. B. Sauerstoffgas oder Luft. Um den Übergang und die Verteilung der Gase aus der Millimeterstrukturierung der Bipolarplatte auf die nanoskaligen Katalysatorpartikel der Membran-Elektrodeneinheit zu erleichtern, ist eine poröse Zwischenlage (bspw. Gasdiffusionslage, GDL) zwischen der Bipolarplatte und der Membran-Elektrodeneinheit erforderlich. Diese Zwischenlage kann bspw. als ein poröses Vlies aus Kohlenstofffasern ausgebildet sein. Dabei können Faserenden der Kohlenstofffasern herstellungsbedingt senkrecht von der Oberfläche der Zwischenlage abstehen. Fuel cells are electrochemical energy converters. In polymer electrolyte membrane fuel cells or simply PEM fuel cells, the reactants hydrogen and oxygen are converted into water, electrical energy and heat for energy generation. According to the prior art, PEM fuel cells are constructed as a stack of repeat units, comprising a cathode region, a bipolar plate, an anode region and a membrane electrode unit. The bipolar plate is electrically conductive, but is impermeable to gases and ions. The bipolar plate is distributed in the anode area z. B. hydrogen gas and in the cathode region z. B. oxygen gas or air. In order to facilitate the transition and the distribution of the gases from the millimeter structure of the bipolar plate to the nanoscale catalyst particles of the membrane electrode assembly, a porous intermediate layer (e.g. gas diffusion layer, GDL ) between the bipolar plate and the membrane electrode assembly. This intermediate layer can be designed, for example, as a porous nonwoven made of carbon fibers. Due to the manufacturing process, fiber ends of the carbon fibers can protrude perpendicularly from the surface of the intermediate layer.

Werden solche Vliese durch die Stegstruktur der Bipolarplatte gedrückt, wird die Porösität unter den Stegen drastisch reduziert und es kommt insbesondere unter diesen Stegen zu Ansammlungen von Produktwasser. Die Ansammlungen von Produktwasser behindern insbesondere auf der Sauerstoff- bzw. Luftseite die notwendige Diffusion von Sauerstoff bzw. Luft. Damit wird die lokale Stromdichte und Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle eingeschränkt. Um Wasser aus den Vliesen austreiben zu können, werden manche bekannte Vliese mit einer hydrophobischen Beschichtung versehen. Durch das Aufbringen der hydrophobischen Beschichtung, bspw. mittels Aufsprühen, kann es jedoch zu einem partiellen oder vollständigen Verschluss der offenen Porenstruktur kommen, sodass das Vlies zwar eine hydrophobe Beschichtung aufweist, die Porenstruktur zum Austreiben des kondensierten Wassers jedoch verengt oder verschlossen ist. Auch der Zutritt von Sauerstoff bzw. Luft an die Membran wird damit verhindert.If such fleeces are pressed through the web structure of the bipolar plate, the porosity under the webs is drastically reduced and product water accumulates especially under these webs. The accumulation of product water hinders the necessary diffusion of oxygen or air, in particular on the oxygen or air side. This limits the local current density and performance of the fuel cell. In order to be able to drive water out of the nonwovens, some known nonwovens are provided with a hydrophobic coating. However, by applying the hydrophobic coating, for example by spraying, the open pore structure can be partially or completely closed, so that the fleece has a hydrophobic coating, but the pore structure is narrowed or closed to expel the condensed water. This also prevents oxygen or air from entering the membrane.

Derzeit werden in den Brennstoffzellen relativ dünne Membranen mit einer Materialstärke von wenigen Mikrometern gefordert. Solche Membranen können nicht oder nur mit erheblichem Aufwand und großer Ausschussrate als frei tragende Filme gehandhabt werden. Daher werden diese sehr dünnen Membranen derzeit direkt auf eine Seite des Vlieses beschichtet. Da die Faserstruktur an der Oberfläche des Vlieses nicht eben ist, kann eine wellige Membran ausbildet sein. Eine wellige Membran erlaubt keinen guten Kontakt zur Gasdiffusionslage der Gegenseite. Oft werden die Vliese mit einer mikroporösen Schicht beschichtet, die durch Aufsprühen einer Partikelsuspension, Trocknen und Sintern derselben mit dem Faservlies verbunden wird. Dabei wird durch den Auftragungsprozess die Oberflächenwelligkeit des Vlieses nachgezeichnet. Zudem kann beim direkten Beschichten des Vlieses mit einer Partikelsuspension oder mit einer Membranlösung, aus der die Membran gebildet wird, die Lösung oder Suspension in die Vertiefungen in der Faserstruktur eindringen und diese ausfüllen. Eine derart eingedrungene Lösung oder Suspension kann die Porenstruktur der Gasdiffusionslage verschließen und den Gasfluss sowie Wasserabtransport behindern. Zudem kann eine solche Membran oder mikroporöse Lage eine inhomogene Dicke aufweisen und somit einen inhomogenen elektrischen Widerstand bewirken. Dadurch können lokal unterschiedliche Stromstärken auftreten, wodurch die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle eingeschränkt werden kann.Currently, relatively thin membranes with a material thickness of a few micrometers are required in the fuel cells. Such membranes cannot be handled as cantilever films or only with considerable effort and a high reject rate. Therefore, these very thin membranes are currently coated directly on one side of the fleece. Since the fiber structure on the surface of the fleece is not flat, a wavy membrane can be formed. A wavy membrane does not allow good contact with the gas diffusion layer on the opposite side. The nonwovens are often coated with a microporous layer, which is connected to the nonwoven fabric by spraying on a particle suspension, drying and sintering the same. The surface ripple of the fleece is traced through the application process. In addition, when the fleece is coated directly with a particle suspension or with a membrane solution from which the membrane is formed, the solution or suspension can penetrate into the depressions in the fiber structure and fill them. A solution or suspension that has penetrated in this way can close the pore structure of the gas diffusion layer and hinder the gas flow and water removal. In addition, such a membrane or microporous layer can have an inhomogeneous thickness and thus cause an inhomogeneous electrical resistance. This means that locally different currents can occur, which can limit the performance of the fuel cell.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung sieht ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch vor. Ferner sieht die Erfindung eine entsprechende Membran-Elektrodeneinheit nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch vor. Zudem sieht die Erfindung eine entsprechende Brennstoffzelle nach dem nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruch vor. Weitere Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Vorteile, Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Membran-Elektrodeneinheit sowie der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.The invention provides a method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell according to the independent method claim. Furthermore, the invention provides a corresponding membrane electrode unit according to the independent device claim. In addition, the invention provides a corresponding fuel cell according to the independent independent device claim. Further advantages and details of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings. Advantages, features and details that are described in connection with the method according to the invention also apply, of course, also in connection with the membrane electrode unit according to the invention and the fuel cell according to the invention and vice versa, so that with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention, reference is always made to one another or respectively . can be.

Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle vor, die eine, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit aufweist, wobei die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit dazu ausgeführt ist, als eine Gasdiffusionslage zu dienen, aufweisend folgende Schritte:

1. 1) Bereitstellen von partikelförmigen Komponenten (a, b):
   1. a) eines Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulats,
   2. b) eines polyvinylidenfluoridhaltigen Granulats (PVDF),
2. 2) Vermischen von wenigstens einem Teil der Komponente a) mit der Komponente b) bis die Komponente b) an Partikeln der Komponente a) anhaftet,
3. 3) Vermischen einer im Schritt 2) gewonnenen Vormischung mit einem restlichen Teil der Komponente a),
4. 4) Auswalzen oder Extrudieren einer im Schritt 3) gewonnenen Mischung zu einem bandförmigen Material, welches die Elektrodeneinheit (MPL) bildet.

The present invention provides a method of manufacturing a membrane electrode assembly for a fuel cell which has an, in particular microporous, electrode unit, the, in particular microporous, electrode unit being designed to serve as a gas diffusion layer, comprising the following steps:

1. 1) Provision of particulate components ( a , b ):
   1. a) a carbon and / or graphite granulate,
   2. b) a granulate containing polyvinylidene fluoride ( PVDF ),
2. 2) Mixing at least part of the component a ) with the component b ) until the component b ) on particles of the component a ) attached,
3. 3) Mix one in step 2nd ) Premix obtained with a remaining part of the component a ),
4. 4) Rolling out or extruding one in the step 3rd ) obtained mixture to a band-shaped material, which the electrode unit ( MPL ) forms.

Als eine Membran-Elektrodeneinheit im Rahmen der Erfindung kann eine, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit verstanden werden, die Katalysatormaterial für die elektrochemische Reaktion, bspw. Platin, aufweisen kann und die mit einer ionenleitfähigen Membran beschichtet werden kann. Die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit im Rahmen der Erfindung kann, mit oder ohne einer separaten faserbasierten Zwischenlage, als eine Gasdiffusionslage dienen. Die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit im Rahmen der Erfindung weist eine im Vergleich zu einer faserbasierten Gasdiffusionslage oder im Vergleich zu einer partikelbasierten mikroporösen Schicht, die direkt auf ein Faservlies beschichtet wird, eine wesentlich glattere Oberfläche auf. Die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit im Rahmen der Erfindung eignet sich auf eine vorteilhafte Weise zur Beschichtung mit einer dünnen Membran mit einer Materialstärke von wenigen Mikrometer, die eine gleichmäßige, vorteilhafterweise ebene, Lage auf der Oberfläche der erfindungsgemäßen, insbesondere mikroporösen, Elektrodeneinheit bildet. Die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit im Rahmen der Erfindung weist eine Porenstruktur im Nanometerbereich und eine Materialstärke von 10µm bis 150µm, bevorzugt 20µm bis 70µm auf. Die Komponente a) dient für eine elektrische Leitfähigkeit der fertigen Elektrodeneinheit. Die Komponente b) agiert als Binder und/oder als eine hydrophobe Beschichtung der Partikel der Komponente a).A membrane-electrode unit in the context of the invention can be understood to mean a, in particular microporous, electrode unit which can have catalyst material for the electrochemical reaction, for example platinum, and which can be coated with an ion-conductive membrane. The, in particular microporous, electrode unit in the context of the invention, with or without a separate fiber-based intermediate layer, can serve as a gas diffusion layer. The, in particular microporous, electrode unit in the context of the invention has a significantly smoother surface in comparison to a fiber-based gas diffusion layer or in comparison to a particle-based microporous layer which is coated directly on a nonwoven fabric. The, in particular microporous, electrode unit in the context of the invention is advantageously suitable for coating with a thin membrane with a material thickness of a few micrometers, which forms a uniform, advantageously flat, layer on the surface of the inventive, in particular microporous, electrode unit. The, in particular microporous, electrode unit in the context of the invention has a pore structure in the nanometer range and a material thickness of 10 μm to 150 μm, preferably 20 μm to 70 μm. The component a ) serves for an electrical conductivity of the finished electrode unit. The component b ) acts as a binder and / or as a hydrophobic coating of the particles of the component a ).

Für Brennstoffzellenelektroden werden hohe Gehalte an hydrophoben Oberflächen benötigt, die durch Beifügen von Polymeren, wie z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder Polytetrafluorethylen (PTFE) in Form von Mischungen erhalten werden können. Diese hydrophoben Bestandteile müssen in der Mischung gleichmäßig verteilt und mit den Kohlenstoff- und/oder Graphitpartikeln fixiert sein.For fuel cell electrodes, high levels of hydrophobic surfaces are required, which can be achieved by adding polymers such. B . Polyvinylidene fluoride ( PVDF ) and / or polytetrafluoroethylene ( PTFE ) can be obtained in the form of mixtures. These hydrophobic components must be evenly distributed in the mixture and fixed with the carbon and / or graphite particles.

Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass Polymere, wie z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF) (Komponente b)) ggf. mit Polytetrafluorethylen (PTFE) (Komponente c), und leitfähige Partikel, wie z. B. Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulat (Komponente a)), die ähnliche Dichten und Partikelgrößen aufweisen können, intensiv und schnell vermischt werden, bspw. durch eine Fluidisierung in einem Luftstrom. Das Fixieren dieser Mischung erfolgt durch thermisches Aktivieren, also Anschmelzen der Polymere im Schritt 2) und/oder im Schritt 3), ggf. durch Benetzen mit einer Binderlösung oder Bindersuspension in einem optionalen Schritt 2a). Die fertige Mischung weist vom Schritt 2) zum Schritt 3) weist immer mehr Agglomerate auf. Die Mischung umfasst im Rahmen der Erfindung einen Binder auf Kunststoffbasis, insbesondere das polyvinylidenfluoridhaltige Granulat (PVDF), welches besonders vorteilhaft für eine zusammenhängende Mischung ist, die auf eine vorteilhafte Weise zu einem dünnen (vorteilhafterweise dehnbaren) bandförmigen Material mit einer Materialstärke von 10µm bis 150µm, bevorzugt 20µm bis 70µm verarbeitet werden kann. In den Schritten 2) und 3) erfolgt im Rahmen der Erfindung eine Vorgranulierung der Partikel des Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulats nach und nach zu einer Granulierung des Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulats. Durch das polyvinylidenfluoridhaltige Granulat (PVDF) wird erfindungsgemäß ermöglicht, dass aus der im Schritt 5) bereitgestellte Mischung ein dünnes bandförmiges Material über einen Extrusions- oder Walzprozess hergestellt werden kann, welches eine Basis für die Membran-Elektrodeneinheit einer Brennstoffzelle bilden kann. Beim Auswalzen treten mechanische Kräfte an und in den Agglomeraten auf, die durch kleine Relativbewegungen der Graphitpartikel bzw. Agglomerate zueinander entstehen. Auch werden dadurch die Polymere gedehnt, so dass weitere Graphitanbindungsstellen entstehen die durch die lokalen Kräfte und die Relativbewegung an die Graphitpartikel gepresst werden. So wird eine einfache Filmbildung ermöglicht.The idea of the invention is that polymers such as. B. polyvinylidene fluoride ( PVDF ) (Component b )) if necessary with polytetrafluoroethylene ( PTFE ) (Component c), and conductive particles, such as. B. carbon and / or graphite granules (component a )), which can have similar densities and particle sizes, are mixed intensively and quickly, for example by fluidization in an air stream. This mixture is fixed by thermal activation, that is to say melting of the polymers in the step 2nd ) and / or in the crotch 3rd ), if necessary by wetting with a binder solution or binder suspension in an optional step 2a) . The finished mixture points from the crotch 2nd ) to step 3rd ) has more and more agglomerates. In the context of the invention, the mixture comprises a plastic-based binder, in particular the granules containing polyvinylidene fluoride ( PVDF ), which is particularly advantageous for a coherent mixture which can be processed in an advantageous manner to form a thin (advantageously stretchable) band-shaped material with a material thickness of 10 μm to 150 μm, preferably 20 μm to 70 μm. In the steps 2nd ) and 3rd ) within the scope of the invention, the granules of the carbon and / or graphite granules are gradually pregranulated to granulate the carbon and / or graphite granules. Due to the granulate containing polyvinylidene fluoride ( PVDF ) is made possible according to the invention that from step 5 ) provided mixture a thin band-shaped material can be produced via an extrusion or rolling process, which can form a basis for the membrane electrode assembly of a fuel cell. When rolling out, mechanical forces occur on and in the agglomerates, which result from small relative movements of the graphite particles or agglomerates to one another. This also stretches the polymers so that additional graphite connection points are created which are pressed against the graphite particles by the local forces and the relative movement. This enables simple film formation.

Ferner kann die Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran-Elektrodeneinheit vorsehen, dass im Schritt 2) und/oder im Schritt 3) ein Lösemittel und/oder Wasser mit einem (jeweiligen) Massenanteil von 1 bis 10 Gew% innerhalb der Vormischung oder der Mischung zugegeben wird. Das Lösemittel kann dabei helfen, dass die Komponente b) verflüssigt wird und eine Vorgranulierung oder eine Granulierung der Partikel der Komponente a) erfolgen kann. Das Wasser kann wiederum bewirken, dass die Partikel der Komponente a) in den Schritten 2) und 3) nicht beschädigt werden. Die im Schritt 3) bereitgestellte bzw. fertige Mischung ist eine zusammenhängende Mischung, die weder flüssig noch pastös ist, die aber augenscheinlich trocken bleibt, da das Wasser nur die Partikeloberflächen benetzt aber die Mischung auf Grund der geringen Menge nicht fluidisiert. Das Lösemittel und/oder Wasser können im Schritt 4) weitestgehend verdampfen. Grundsätzlich ist es denkbar, dass nach dem Schritt 4) ein Schritt zu einer Trocknung des bandförmigen Materials vorgesehen sein kann.Furthermore, the invention can provide within the scope of a method for producing a membrane electrode unit that in the step 2nd ) and / or in the crotch 3rd ) a solvent and / or water with a (respective) mass fraction of 1 to 10% by weight is added within the premix or the mixture. The solvent can help the component b ) is liquefied and a pre-granulation or a granulation of the particles of the component a ) can be done. The water can in turn cause the particles of the component a ) in steps 2nd ) and 3rd ) are not damaged. The step 3rd ) Provided or finished mixture is a coherent mixture, which is neither liquid nor pasty, but which apparently remains dry, since the water only wets the particle surfaces but does not fluidize the mixture due to the small amount. The solvent and / or water can in the step 4th ) evaporate as much as possible. Basically, it is conceivable that after the step 4th ) a step for drying the band-shaped material can be provided.

Weiterhin kann die Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran-Elektrodeneinheit vorsehen, dass im Schritt 1) die Komponente b) in Form einer wässrigen Lösung mit einem Massenanteil von 30 bis 70 Gew% innerhalb der wässrigen Lösung bereitgestellt wird. Auf diese Weise kann die Vermischung der Komponenten a) und b) und/oder die Granulierung der Partikel der Komponente a) begünstigt werden.Furthermore, the invention can provide within the scope of a method for producing a membrane electrode unit that in the step 1 ) the component b ) is provided in the form of an aqueous solution with a mass fraction of 30 to 70% by weight within the aqueous solution. In this way, the mixing of the components a ) and b ) and / or the granulation of the particles of the component a ) are favored.

Des Weiteren kann die Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran-Elektrodeneinheit vorsehen, dass im Schritt 1) die Komponenten (a, b) in einem Massenverhältnis 1:1 bis 20:1, vorzugsweise 10:1, bereitgestellt werden, und/oder im Schritt 2) die Komponenten (a, b) in einem Massenverhältnis 4:1 bis 19:1, vorzugsweise 9:1, bereitgestellt werden. Somit kann eine portionsweise bzw. tlw. Beimischung des Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulats (bzw. Komponente a) zu einer Vormischung erfolgen, die mit jeder Zugabe einer weiteren Portion bzw. eines weiteren Teils der Komponente a) immer mehr an Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulat (bzw. an Komponente a) in der fertigen Mischung aufweist. Zugleich verbleibt in der fertigen Mischung ausreichend Binder in Form der Komponente b), der für einen Zusammenhalt der fertigen Mischung sorgt, sodass diese Mischung als eine zusammenhängende Mischung zu einem bandförmigen Material verarbeitet werden kann.Furthermore, as part of a method for producing a membrane electrode unit, the invention can provide that in the step 1 ) the components ( a , b ) in a mass ratio of 1: 1 to 20: 1, preferably 10: 1, and / or in the crotch 2nd ) the components ( a , b ) in a mass ratio of 4: 1 to 19: 1, preferably 9: 1. A portionwise or in part admixture of the carbon and / or graphite granules (or component a ) to a premix with each addition of a further portion or part of the component a ) more and more on carbon and / or graphite granules (or on component a ) in the finished mixture. At the same time, sufficient binder remains in the form of the component in the finished mixture b ), which ensures the cohesion of the finished mixture, so that this mixture can be processed as a coherent mixture into a band-shaped material.

Zudem kann die Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran-Elektrodeneinheit vorsehen, dass im Schritt 1) der Komponente b) Polytetrafluorethylen-Granulat (PTFE) beigemischt wird, und/oder im Schritt 1) Polyvinylidenfluorid-Granulat (PVDF) und Polytetrafluorethylen-Granulat (PTFE) in einem Massenverhältnis 1:1 bis 5:1, vorzugsweise 1:1, bereitgestellt werden. Das Polytetrafluorethylen-Granulat (PTFE) eignet sich auf eine vorteilhafte Weise als ein Binder, der sich plastisch verformen und daher gut in Kontakt mit Partikeln bringen lässt sowie den Partikel-Kontakt auch bei mechanischer Belastung erhält und sich bei mechanischer Belastung eher zwischen den Partikeln dehnt. Das Polyvinylidenfluorid-Granulat (PVDF) eignet sich auf eine vorteilhafte Weise als ein Binder, der ausreichend stabil ist, um zu dünnen, elastischen Folien verarbeitet werden zu können. In einem entsprechenden Verhältnis zwischen dem Polyvinylidenfluorid-Granulat (PVDF) und dem Polytetrafluorethylen-Granulat (PTFE) wird eine Kombination an guter Bindung und Zugfestigkeit zur Herstellung und Verarbeitung als bandförmiges Material bei relativ geringen Materialstärke von 20 bis 70 µm erreicht.In addition, as part of a method for producing a membrane electrode unit, the invention can provide that in the step 1 ) of the component b ) Polytetrafluoroethylene granules ( PTFE ) is added, and / or in the step 1 ) Polyvinylidene fluoride granules ( PVDF ) and polytetrafluoroethylene granules ( PTFE ) in a mass ratio 1 : 1 to 5: 1, preferably 1: 1, are provided. The polytetrafluoroethylene granules ( PTFE ) is advantageously used as a binder that plastically deforms and can therefore be brought into good contact with particles, maintains particle contact even under mechanical stress and tends to stretch between the particles under mechanical stress. The polyvinylidene fluoride granules ( PVDF ) is advantageously used as a binder that is sufficiently stable to be processed into thin, elastic films. In a corresponding ratio between the polyvinylidene fluoride granules ( PVDF ) and the polytetrafluoroethylene granules ( PTFE ) a combination of good binding and tensile strength for production and processing as a band-shaped material with a relatively low material thickness of 20 to 70 µm is achieved.

Außerdem kann die Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran-Elektrodeneinheit vorsehen, dass im Schritt 2) ein Vorgranulieren der Partikel der Komponente a) mit dem Material der Komponente b) erfolgt, und/oder dass der Schritt 2) bei einer Temperatur von > 19 °C ausgeführt wird, und/oder dass der Schritt 2) mittels Extrudieren, Kneten, Mischen, Pressen oder Walzen ausgeführt wird. Somit kann eine, vorteilhafterweise trockene, also lösemittelfreie, Vormischung hergestellt werden. Bei einer Temperatur von > 19 °C erfolgt eine Umwandlung des Polymergefüges, das plastifizierbar wird, sodass ein Vorgranulieren von wenigstens einem Teil der Komponente a) ermöglicht werden kann. Zugleich verbleibt die Komponente b) in einem ausreichenden Maße körnig, sodass eine weitere Beimischung an Komponente a) nach und nach im Schritt 3) erfolgen kann.In addition, the invention can provide, in the context of a method for producing a membrane electrode unit, that in the step 2nd ) pre-granulating the particles of the component a ) with the material of the component b ) and / or that the step 2nd ) is carried out at a temperature of> 19 ° C, and / or that the step 2nd ) is carried out by means of extrusion, kneading, mixing, pressing or rolling. In this way, an advantageously dry, that is to say solvent-free, premix can be produced. At a temperature of> 19 ° C, the polymer structure is converted, which can be plasticized, so that at least part of the component is pregranulated a ) can be made possible. At the same time, the component remains b ) granular to a sufficient extent so that a further admixture of component a ) step by step 3rd ) can be done.

Ferner kann die Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran-Elektrodeneinheit vorsehen, dass im Schritt 3) ein Granulieren der Partikel der Komponente a) mit dem Material der Komponente b) erfolgt, und/oder dass der Schritt 3) bei einer Temperatur von 50 °C bis 400 °C, insbesondere 150 °C und 240 °C, ausgeführt wird, und/oder dass der Schritt 3) mittels Wirbelschichtgranulierung ausgeführt wird. Somit kann eine, vorteilhafterweise zusammenhängende, Mischung hergestellt werden, die zu einem bandförmigen Material verarbeitet werden kann. Bei einer Temperatur von 50 °C bis 400 °C, insbesondere 150 °C und 240 °C, kann der Binder bzw. die Komponente b) verschmelzen und eine Granulierung der Partikel der Komponente a) bewirken.Furthermore, the invention can provide within the scope of a method for producing a membrane electrode unit that in the step 3rd ) granulating the particles of the component a ) with the material of the component b ) and / or that the step 3rd ) at a temperature of 50 ° C to 400 ° C, in particular 150 ° C and 240 ° C, and / or that the step 3rd ) is carried out by means of fluidized bed granulation. Thus, an advantageously coherent mixture can be produced which can be processed into a band-shaped material. At a temperature of 50 ° C to 400 ° C, especially 150 ° C and 240 ° C, the binder or the component b ) merge and granulate the particles of the component a ) cause.

Weiterhin kann die Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran-Elektrodeneinheit vorsehen, dass im Schritt 4) mindestens eine Walze oder eine Extruderschnecke auf eine Temperatur 50 °C bis 400 °C, insbesondere 150 °C und 240 °C, beheizt wird. Somit kann ein Verdampfen des ggf. vorhandenen Lösemittels und/oder Wassers erfolgen. Zudem kann ein Glätten des bandförmigen Materials erfolgen.Furthermore, the invention can provide within the scope of a method for producing a membrane electrode unit that in the step 4th ) at least one roller or an extruder screw is heated to a temperature of 50 ° C. to 400 ° C., in particular 150 ° C. and 240 ° C. Evaporation of the solvent and / or water which may be present can thus take place. In addition, the band-shaped material can be smoothed.

Des Weiteren kann die Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran-Elektrodeneinheit vorsehen, dass in einem weiteren Schritt 5) ein Benetzen des bandförmigen Materials mit einer katalytischen Lösung oder ein Beschichten des bandförmigen Materials mit einer Katalysatorschicht erfolgt. Somit kann auf der Oberfläche des bandförmigen Materials eine Katalysatorschicht ausgebildet werden, die für eine Auslösung der chemischen Reaktion an der aktiven Fläche der Membran dienen kann.Furthermore, as part of a method for producing a membrane electrode unit, the invention can provide that in a further step 5 ) wetting the band-shaped material with a catalytic solution or a Coating of the band-shaped material is carried out with a catalyst layer. Thus, a catalyst layer can be formed on the surface of the band-shaped material, which can serve to trigger the chemical reaction on the active surface of the membrane.

Gleichwohl und/oder zusätzlich ist es denkbar, dass im Schritt 1) mindestens ein Teil der Partikel der Komponente a) mit einem Katalysator benetzt oder beschichtet ist. Auf diese Weise können in der Vormischung im Schritt 2) und in der Mischung im Schritt 3) Partikel mit unterschiedlichen Eigenschaften verarbeitet werden. Die Partikel mit einem Katalysator können unmittelbar bzw. ohne eine weitere Verarbeitung der Oberfläche des bandförmigen Materials eine Katalysatorschicht zur Auslösung der chemischen Reaktion an der aktiven Fläche der Membran dienen.Nevertheless and / or in addition, it is conceivable that in the step 1 ) at least part of the particles of the component a ) is wetted or coated with a catalyst. This allows you to pre-mix in the crotch 2nd ) and in the mix in the crotch 3rd ) Particles with different properties are processed. The particles with a catalyst can serve directly or without further processing of the surface of the band-shaped material a catalyst layer for triggering the chemical reaction on the active surface of the membrane.

Zudem kann die Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran-Elektrodeneinheit vorsehen, dass in einem weiteren Schritt 6) ein Bedrucken des bandförmigen Materials mit einer ionenleitfähigen Membran zu einem mehrlagigen Material erfolgt. Somit kann ein mehrlagiges Material bereitgestellt werden, aus welchem die einsatzfertige Membran-Elektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle zugeschnitten werden kann.In addition, as part of a method for producing a membrane electrode unit, the invention can provide that in a further step 6 ) the tape-shaped material is printed with an ion-conductive membrane to form a multilayer material. A multilayer material can thus be provided, from which the ready-to-use membrane electrode unit can be cut for a fuel cell.

Außerdem kann die Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran-Elektrodeneinheit vorsehen, dass in einem weiteren Schritt 7) ein Zuschneiden des mehrlagigen Materials zu einer Membran-Elektrodeneinheit erfolgt. Somit kann eine einsatzfertige Membran-Elektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle bereitgestellt werden.In addition, as part of a method for producing a membrane electrode unit, the invention can provide that in a further step 7 ) the multilayer material is cut to a membrane electrode assembly. A ready-to-use membrane electrode assembly for a fuel cell can thus be provided.

Ferner sieht die vorliegende Erfindung eine Membran-Elektrodeneinheit vor, die mithilfe eines Verfahrens hergestellt werden kann, welches wie oben beschrieben ausgeführt werden kann. Mithilfe der erfindungsgemäßen Membran-Elektrodeneinheit werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.The present invention further provides a membrane electrode assembly that can be manufactured using a method that can be carried out as described above. The membrane electrode unit according to the invention achieves the same advantages that were described above in connection with the method according to the invention. These advantages are referred to in full in the present case.

Weiterhin sieht die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektrodeneinheit vor, die mithilfe eines Verfahrens hergestellt werden kann, welches wie oben beschrieben ausgeführt werden kann. Mithilfe der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle werden ebenfalls die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.Furthermore, the present invention provides a fuel cell with a membrane electrode unit which can be produced using a method which can be carried out as described above. The fuel cell according to the invention also achieves the same advantages that were described above in connection with the method according to the invention. These advantages are referred to in full in the present case.

Zudem ist es bei einer Brennstoffzelle im Sinne der Erfindung denkbar, dass auf einer Kathodenseite eine Elektrodeneinheit mit einer darauf beschichteten Membran eingesetzt wird und auf einer Anodenseite eine Elektrodeneinheit mit oder ohne eine Beschichtung mit einer Membran eingesetzt wird, die miteinander verpresst, heiß verpresst, verklebt oder dergleichen sein können.In addition, it is conceivable for a fuel cell in the sense of the invention that an electrode unit with a membrane coated thereon is used on a cathode side and an electrode unit with or without a coating with a membrane that is pressed together, hot pressed, glued together is used on an anode side or the like.

Außerdem ist es bei einer Brennstoffzelle im Sinne der Erfindung denkbar, dass die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit ohne eine weitere, bspw. faserige Zwischenlage, als eine Gasdiffusionslage dienen kann, um die Verteilung der Reaktanten aus der Millimeterstrukturierung einer Bipolarplatte auf die nanoskaligen Katalysatorpartikel der Membran-Elektrodeneinheit zu erleichtern.It is also conceivable for a fuel cell in the sense of the invention that the, in particular microporous, electrode unit without a further, for example fibrous intermediate layer, can serve as a gas diffusion layer in order to distribute the reactants from the millimeter structure of a bipolar plate onto the nanoscale catalyst particles of the membrane -Electrode unit to facilitate.

FigurenlisteFigure list

Die erfindungsgemäße Membran-Elektrodeneinheit und die erfindungsgemäße Brennstoffzelle und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

• 1 eine schematische Darstellung eines Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
• 2 eine schematische Schnittdarstellung einer Membran-Elektrodeneinheit im Sinne der Erfindung,
• 3 eine schematische Schnittdarstellung einer Brennstoffzelle im Sinne der Erfindung, und
• 4 eine schematische Schnittdarstellung einer Membran-Elektrodeneinheit im Sinne der Erfindung in einer vergrößerten Ansicht.

The membrane electrode assembly according to the invention and the fuel cell according to the invention and their further developments and their advantages are explained in more detail below with reference to drawings. Each shows schematically:

• 1 1 shows a schematic representation of a sequence of a method according to the invention,
• 2nd 2 shows a schematic sectional illustration of a membrane electrode unit in the sense of the invention,
• 3rd is a schematic sectional view of a fuel cell in the sense of the invention, and
• 4th is a schematic sectional view of a membrane electrode assembly in the sense of the invention in an enlarged view.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.In the different figures, the same parts of the invention are always provided with the same reference symbols, which is why they are generally only described once.

Die 1 zeigt einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran-Elektrodeneinheit MEA für eine Brennstoffzelle 100 im Sinne der Erfindung. Die Brennstoffzelle 100 enthält eine, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit MPL, die dazu ausgeführt ist, als eine Gasdiffusionslage GDL zu dienen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

1. 1) Bereitstellen von partikelförmigen Komponenten (a, b):
   1. a) eines Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulats,
   2. b) eines polyvinylidenfluoridhaltigen Granulats (PVDF) (oder mit anderen Worten einer polyvinylidenfluoridhaltigen Mischung, ggf. mit optionalen weiteren Polymeren, wie z. B. einem Polytetrafluorethylen (PTFE) und/oder einem Acrylat),
2. 2) Vermischen von wenigstens einem Teil der Komponente a) mit der Komponente b) bis die Komponente b) an Partikeln der Komponente a) anhaftet. Der Schritt 2) erfolgt z. B. durch Mischen der Komponenten (a, b) in einem Wirbelschichtfließbett (F) oder in einem Schaufelmischer, vorzugsweise unter erhöhter Temperatur. Danach erfolgt optional ein weiteres Zugeben von Komponente a), wenn der Gehalt der Komponente b), bei dem eine Anhaftung über erhöhte Temperatur erzielt werden kann, höher liegt als der gewünschte Polymergehalt eines zu fertigenden Bandmaterials - also Verdünnen der Vormischung mit weiterem Material der Komponente a). Im Schritt 2) erfolgt vorteilhafterweise eine Agglomeration der Komponenten (a, b). In einem optionalen Schritt 2a) kann die Erfindung vorsehen:
   • 2a) Vormischen und/oder Lösen einer weiteren partikelförmigen Komponente c), bspw. eines Polyvinylidenfluorid Granulats (PVDF) und/oder eines Polytetrafluorethylen-Granulats (PTFE) und/oder eines Acrylats, in einem Lösemittel und/oder Wasser in einem kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Mischprozess (B). Optional kann Einmischen von Leitrußen zum Verbessern der elektrischen Leitfähigkeit des herzustellenden bandförmigen Materials im Schritt 2a) vorgesehen sein.
3. 3) Vermischen einer im Schritt 2) gewonnenen Vormischung mit einem restlichen Teil der Komponente a), Der Schritt 3) kann vorzugsweise durch Vermischen der im Schritt 2a) gewonnenen, insbesondere flüssigen, Lösung oder Suspension mit der im Schritt 2) gewonnenen Vormischung erfolgen. Dies kann in einem Wirbelschichtfließbett (F) geschehen, in welchem die im Schritt 2) bereitgestellten partikelförmigen Komponenten mit der Lösung wenigstens tlw. beschichtet werden oder die Anhaftung der Komponenten a) und/oder b) verbessern. Vorteilhafterweise wird im Schritt 3) durch Entfernen des Lösemittels im Luftstrom des Wirbelschichtfließbetts (F) eine zusätzliche Agglomeration der partikelförmigen Komponenten (a, b, c) erzielt, vorzugsweise durch die weitere partikelförmige Komponente c). Die elektrische und mechanische Anbindung der agglomerierten Bestandteile ist dabei sehr intensiv und gleichmäßig. Über Lösemittelgehalt, Luftstromgeschwindigkeit und den Massenverhältnissen der einzelnen Komponenten zueinander können poröse oder dichte Agglomerate hergestellt werden, je nach Erfordernis der nachfolgenden Verarbeitung. In einem optionalen Schritt 3a) kann die Erfindung vorsehen:
   • 3a) Bereitstellen einer Mischung aus den im Schritt 3) gewonnenen Agglomeraten,
4. 4) Auswalzen oder Extrudieren einer im Schritt 3) gewonnenen Mischung zu einem bandförmigen Material, welches die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit bildet bzw. aus welchem die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit zugeschnitten werden kann.

The 1 shows a schematic sequence of a method for producing a membrane electrode assembly MEA for a fuel cell 100 in the sense of the invention. The fuel cell 100 contains an, in particular microporous, electrode unit MPL , which is designed as a gas diffusion layer GDL to serve. The process includes the following steps:

1. 1) Provision of particulate components ( a , b ):
   1. a) a carbon and / or graphite granulate,
   2. b) a granulate containing polyvinylidene fluoride ( PVDF ) (or in other words one polyvinylidene fluoride-containing mixture, optionally with optional further polymers, such as. B. a polytetrafluoroethylene ( PTFE ) and / or an acrylate),
2. 2) Mixing at least part of the component a ) with the component b ) until the component b ) on particles of the component a ) attached. The step 2nd ) z. B. by mixing the components ( a , b ) in a fluidized bed ( F ) or in a paddle mixer, preferably under elevated temperature. After that, another component is optionally added a ) if the content of the component b ), at which adhesion can be achieved at elevated temperatures, is higher than the desired polymer content of a strip material to be produced - that is to say dilution of the premix with further material of the component a ). In step 2nd ) there is advantageously an agglomeration of the components ( a , b ). In an optional step 2a) the invention can provide:
   • 2a) premixing and / or dissolving a further particulate component c), for example a polyvinylidene fluoride granulate ( PVDF ) and / or a polytetrafluoroethylene granulate ( PTFE ) and / or an acrylate, in a solvent and / or water in a continuous or discontinuous mixing process ( B ). Optionally, mixing of carbon blacks to improve the electrical conductivity of the band-shaped material to be produced in the crotch can 2a ) be provided.
3. 3) Mix one in step 2nd ) Premix obtained with a remaining part of the component a ), The step 3rd ) can preferably by mixing the step 2a) obtained, in particular liquid, solution or suspension with that in the step 2nd ) premix obtained. This can be done in a fluidized bed ( F ) happen in which the step 2nd ) provided particulate components are at least partially coated with the solution or the adhesion of the components a ) and or b ) improve. Advantageously, in the crotch 3rd ) by removing the solvent in the air stream of the fluidized bed ( F ) an additional agglomeration of the particulate components ( a , b , c) achieved, preferably by means of the further particulate component c). The electrical and mechanical connection of the agglomerated components is very intensive and uniform. Porous or dense agglomerates can be produced based on the solvent content, air flow velocity and the mass ratios of the individual components, depending on the requirements of the subsequent processing. In an optional step 3a), the invention can provide:
   • 3a) Providing a mixture of those in step 3rd ) agglomerates obtained,
4. 4) Rolling out or extruding one in the step 3rd ) obtained mixture into a band-shaped material which forms the, in particular microporous, electrode unit or from which the, in particular microporous, electrode unit can be cut.

In der Darstellung der 1 sind zwei weitere Komponenten c) und d) gezeigt, die optional im Schritt 2) der Vormischung und/oder im Schritt 4) der Mischung zugegeben werden können. Auf diese Komponenten c) und d) wird im Folgenden im Detail Bezug genommen.In the representation of the 1 Two further components c) and d) are shown, which are optional in the step 2nd ) premixing and / or in step 4th ) can be added to the mixture. These components c) and d) are referred to in detail below.

Als eine Membran-Elektrodeneinheit MEA im Rahmen der Erfindung kann eine, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit MPL verstanden werden, die Katalysatormaterial für die elektrochemische Reaktion, bspw. Platin, aufweisen kann und die mit einer ionenleitfähigen Membran M beschichtet werden kann (vgl. die 4). Die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit MPL im Rahmen der Erfindung kann, mit oder ohne einer separaten faserbasierten Zwischenlage, als eine Gasdiffusionslage GDL dienen (vgl. die 3). Die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit MPL im Rahmen der Erfindung weist eine im Vergleich zu einer faserbasierten Gasdiffusionslage GDL eine wesentlich ebenmäßige Oberfläche auf (s. die 4). Die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit PML im Rahmen der Erfindung eignet sich auf eine vorteilhafte Weise zur Beschichtung mit einer dünnen Membran M mit einer Materialstärke von wenigen Mikrometern, die eine gleichmäßige, vorteilhafterweise ebene, Lage auf der Oberfläche der erfindungsgemäßen, insbesondere mikroporösen, Elektrodeneinheit MPL bildet (vgl. die 4). Die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit MPL im Rahmen der Erfindung weist eine Porenstruktur im Nanometerbereich und eine Materialstärke von 20 bis 70 µm auf. Die Komponente a) dient für eine elektrische Leitfähigkeit der fertigen Elektrodeneinheit MPL. Die Komponente b) agiert als Binder und/oder als eine hydrophobe Beschichtung der Partikel der Komponente a).As a membrane electrode assembly MEA Within the scope of the invention, an, in particular microporous, electrode unit MPL are understood, which can have catalyst material for the electrochemical reaction, for example platinum, and which have an ion-conductive membrane M can be coated (see 4th ). The, in particular microporous, electrode unit MPL within the scope of the invention, with or without a separate fiber-based intermediate layer, as a gas diffusion layer GDL serve (cf. the 3rd ). The, in particular microporous, electrode unit MPL in the context of the invention has a compared to a fiber-based gas diffusion layer GDL a substantially even surface (see the 4th ). The, in particular microporous, electrode unit PML in the context of the invention is advantageously suitable for coating with a thin membrane M with a material thickness of a few micrometers, which has a uniform, advantageously flat, position on the surface of the inventive, in particular microporous, electrode unit MPL forms (cf. the 4th ). The, in particular microporous, electrode unit MPL in the context of the invention has a pore structure in the nanometer range and a material thickness of 20 to 70 μm. The component a ) serves for an electrical conductivity of the finished electrode unit MPL . The component b ) acts as a binder and / or as a hydrophobic coating of the particles of the component a ).

In den Schritten 2) und 3) kann eine portionsweise bzw. tlw. Beimischung des Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulats (bzw. Komponente a) zu einer Vormischung erfolgen, die mit jeder Zugabe einer weiteren Portion bzw. eines weiteren Teils der Komponente a) immer mehr an Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulat (bzw. an Komponente a) in der fertigen Mischung aufweist.In the steps 2nd ) and 3rd ) A portionwise or in part admixture of the carbon and / or graphite granules (or component a ) to a premix with each addition of a further portion or part of the component a ) more and more on carbon and / or graphite granules (or on component a ) in the finished mixture.

Die Mischung kann im Rahmen der Erfindung einen Binder auf Kunststoffbasis, bspw. das Polyvinylidenfluorid-Granulat (PVDF), als Komponente oder als Bestandteil der Komponente b), aufweisen. Weiterhin kann die Mischung im Rahmen der Erfindung einen weiteren Binder auf Kunststoffbasis, bspw. Polytetrafluorethylen-Granulat (PTFE), als eine weitere optionale Komponente c) aufweisen. Die Erfindung kann dabei vorsehen, dass die Komponente c) im Schritt 1) der Komponente b) beigemischt wird. Ferner kann die Erfindung vorsehen, im Schritt 1) Polyvinylidenfluorid-Granulat (PVDF) und Polytetrafluorethylen-Granulat (PTFE) in einem Massenverhältnis 1:1 bis 5:1, vorzugsweise 1:1, bereit zu stellen. In einem entsprechenden Verhältnis zwischen dem Polyvinylidenfluorid-Granulat (PVDF) und dem Polytetrafluorethylen-Granulat (PTFE) wird eine Kombination an guter Bindung und sogar Dehnbarkeit sowie eine relativ geringe Materialstärke von 20 bis 70 µm für das bandförmige Material erreicht. In the context of the invention, the mixture can be a binder based on plastic, for example the polyvinylidene fluoride granules ( PVDF ), as a component or as part of the component b ), exhibit. Furthermore, in the context of the invention, the mixture can contain a further binder based on plastics, for example polytetrafluoroethylene granules ( PTFE ), as a further optional component c). The invention can provide that component c) in step 1 ) of the component b ) is added. Furthermore, the invention can provide in step 1 ) Polyvinylidene fluoride granules ( PVDF ) and polytetrafluoroethylene granules ( PTFE ) in a mass ratio of 1: 1 to 5: 1, preferably 1: 1. In a corresponding ratio between the polyvinylidene fluoride granules ( PVDF ) and the polytetrafluoroethylene granules ( PTFE ) a combination of good binding and even stretchability and a relatively low material thickness of 20 to 70 µm is achieved for the band-shaped material.

In den Schritten 2) und 3) erfolgt im Rahmen der Erfindung eine Vorgranulierung der Partikel des Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulats nach und nach zu einer bestimmten, bspw. vollständigen, Granulierung des Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulats. Wiederum im Schritt 4) kann der Binder durch mechanische Bewegung gedehnt werden um somit eine größere Berührfläche für die Verbindung des Graphites auszubilden.In the steps 2nd ) and 3rd ) within the scope of the invention, the particles of the carbon and / or graphite granules are pregranulated gradually to a specific, for example complete, granulation of the carbon and / or graphite granules. Again in step 4th ) the binder can be stretched by mechanical movement to form a larger contact area for the connection of the graphite.

Aus der 1 ist ferner erkennbar, dass im Schritt 2) und/oder im Schritt 3) ein Lösemittel und/oder Wasser als eine weitere Komponente d) der Vormischung oder Mischung beigefügt werden kann, bspw. mit einem (jeweiligen) Massenanteil von 1 bis 10 Gew% innerhalb der Vormischung oder der Mischung. Das Lösemittel kann dazu dienen, dass eine Vorgranulierung oder eine Granulierung erfolgen kann. Das Wasser kann wiederum dazu dienen, dass die Partikel des Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulats dabei nicht beschädigt werden.From the 1 it can also be seen that in step 2nd ) and / or in the crotch 3rd ) a solvent and / or water can be added to the premix or mixture as a further component d), for example with a (respective) mass fraction of 1 to 10% by weight within the premix or the mixture. The solvent can be used for pre-granulation or granulation. The water can in turn serve to ensure that the particles of the carbon and / or graphite granules are not damaged in the process.

Somit kann im Schritt 3) eine zusammenhängende Mischung bereitgestellt werden, die weder flüssig noch pastös ist, die aber im Schritt 4) zu einem bandförmigen Material verarbeitet werden kann, bspw. mittels Auswalzen oder Extrudieren.So in step 3rd ) a coherent mixture is provided, which is neither liquid nor pasty, but which is in the step 4th ) can be processed into a band-shaped material, for example by means of rolling or extrusion.

Die Komponenten b) und c) können in Form einer wässrigen Lösung mit einem (jeweiligen) Massenanteil von 30 bis 70 Gew% innerhalb der wässrigen Lösung bereitgestellt werden.The components b ) and c) can be provided in the form of an aqueous solution with a (respective) mass fraction of 30 to 70% by weight within the aqueous solution.

Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass im Schritt 1) das Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulat in einem Massenverhältnis 1:1 bis 20:1, vorzugsweise 10:1, zum Binder oder zu den Bindern bereitgestellt wird, und/oder im Schritt 2) das Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulat in einem Massenverhältnis 4:1 bis 19:1, vorzugsweise 9:1, zum Binder oder zu den Bindern bereitgestellt wird.In the context of the invention, it is conceivable that in the step 1 ) the carbon and / or graphite granules are provided in a mass ratio of 1: 1 to 20: 1, preferably 10: 1, to the binder or binders, and / or in the step 2nd ) the carbon and / or graphite granules are provided in a mass ratio of 4: 1 to 19: 1, preferably 9: 1, to the binder or binders.

Im Schritt 2) kann ein Vorgranulieren der Partikel der Komponente a) bei einer Temperatur von > 19 °C erfolgen. Zusätzlich kann im Schritt 2) eine Vorgranulierung mittels Extrudieren, Kneten, Mischen, Pressen oder Walzen erfolgen.In step 2nd ) can pre-granulate the particles of the component a ) at a temperature of> 19 ° C. In addition, in the step 2nd ) pre-granulation is carried out by means of extrusion, kneading, mixing, pressing or rolling.

Im Schritt 4) kann ein Granulieren der Partikel der Komponente a) bei einer Temperatur von 50 °C bis 400 °C, insbesondere 150 °C und 240 °C, erfolgen, je nachdem welche Schmelztemperatur der Binder oder die Mischung an Binder aufweist. Die Temperatur kann dabei von dem Mischverhältnis zwischen der Komponente b) und der Komponente c) abhängen.In step 4th ) can granulate the particles of the component a ) at a temperature of 50 ° C to 400 ° C, especially 150 ° C and 240 ° C, depending on the melting temperature of the binder or the mixture of binder. The temperature can depend on the mixing ratio between the components b ) and component c) depend.

Wie es in der 1 angedeutet ist, kann der Schritt 3) mittels Wirbelschichtgranulierung ausgeführt werden. Somit kann eine, vorteilhafterweise zusammenhängende, Mischung hergestellt werden, die zu einem bandförmigen Material verarbeitet werden kann. Mittels einer Wirbelschichtgranulierung und erhöhter Temperatur kann vorteilhafterweise ein Fibrillieren der Komponente b) und/oder der Komponente c) erfolgen.As in the 1 is indicated, the step 3rd ) by means of fluidized bed granulation. Thus, an advantageously coherent mixture can be produced which can be processed into a band-shaped material. Fibrillation of the component can advantageously be carried out by means of fluidized bed granulation and elevated temperature b ) and / or component c).

Weiterhin kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass im Schritt 4) mindestens eine Walze W1, W2 oder eine Extruderschnecke E auf eine Temperatur von 50 °C bis 400 °C, insbesondere 150 °C und 240 °C, beheizt wird. Die Temperatur kann dabei von dem Mischverhältnis zwischen der Komponente b) und der Komponente c) abhängen. Somit kann im Schritt 4) das Lösemittel und/oder Wasser weitestgehend verdampfen und das bandförmige Material zudem geglättet werden.Furthermore, it can be provided in the context of the invention that in step 4th ) at least one roller W1 , W2 or an extruder screw E is heated to a temperature of 50 ° C. to 400 ° C., in particular 150 ° C. and 240 ° C. The temperature can depend on the mixing ratio between the components b ) and component c) depend. So in step 4th ) the solvent and / or water evaporate as much as possible and the strip-like material is also smoothed.

Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass ein Katalysatormaterial auf der Oberfläche des fertigen bandförmigen Materials als eine Benetzung und/oder eine Beschichtung ausgebildet wird, bspw. in einem weiteren nicht gezeigten Schritt 5).In the context of the invention, it is conceivable that a catalyst material is formed on the surface of the finished strip-like material as a wetting and / or a coating, for example in a further step, not shown 5 ).

Gleichwohl und/oder zusätzlich ist es denkbar, dass im Schritt 1) mindestens ein Teil der Partikel der Komponente a) mit einem Katalysator benetzt oder beschichtet ist. Auf diese Weise können in der Vormischung im Schritt 2) und in der Mischung im Schritt 3) bereits Partikel mit einem Katalysator vorliegen.Nevertheless and / or in addition, it is conceivable that in the step 1 ) at least part of the particles of the component a ) is wetted or coated with a catalyst. This allows you to pre-mix in the crotch 2nd ) and in the mix in the crotch 3rd ) there are already particles with a catalyst.

Ferner kann im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran-Elektrodeneinheit MEA, bspw. in einem weiteren nicht gezeigten Schritt 6), vorgesehen sein, dass ein Bedrucken des bandförmigen Materials mit einer ionenleitfähigen Membran M zu einem mehrlagigen Material erfolgt, aus welchem die einsatzfertige Membran-Elektrodeneinheit MEA (s. die 2) für eine Brennstoffzelle 100 (s. die 3) zugeschnitten werden kann.Furthermore, as part of a method for producing a membrane electrode unit MEA , for example in a further step, not shown 6 ), it can be provided that the tape-shaped material is printed with an ion-conductive membrane M to a multi-layer material, from which the ready-to-use membrane electrode unit MEA (see the 2nd ) for a fuel cell 100 (see the 3rd ) can be tailored.

In einem noch weiteren nicht gezeigten Schritt 7) kann schließlich ein Zuschneiden des mehrlagigen Materials zu einer Membran-Elektrodeneinheit MEA erfolgen. Somit kann eine einsatzfertige Membran-Elektrodeneinheit MEA (s. die 2) für eine Brennstoffzelle 100 (s. die 3) bereitgestellt werden.In a further step, not shown 7 ) Finally, the multilayer material can be cut into a membrane electrode unit MEA respectively. Thus, a ready-to-use membrane electrode assembly MEA (see the 2nd ) for a fuel cell 100 (see the 3rd ) to be provided.

Bei einer Brennstoffzelle 100 kann die Erfindung vorsehen, dass auf einer Kathodenseite Keine erfindungsgemäß hergestellte Elektrodeneinheit MPL mit einer darauf beschichteten Membran M eingesetzt wird und auf einer Anodenseite A eine erfindungsgemäß hergestellte Elektrodeneinheit MPL mit oder ohne eine Beschichtung mit einer Membran M eingesetzt wird, die miteinander verpresst, heiß verpresst, verklebt oder dergleichen sein können.With a fuel cell 100 The invention can provide that on one cathode side there is no electrode unit manufactured according to the invention MPL with a membrane coated on it M is used and on an anode side A an electrode unit manufactured according to the invention MPL with or without a membrane coating M is used, which can be pressed together, hot pressed, glued or the like.

Die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit MPL kann vorteilhafterweise ohne eine weitere, bspw. faserige Zwischenlage, als eine Gasdiffusionslage GDL dienen, um die Verteilung der Reaktanten aus der Millimeterstrukturierung einer Bipolarplatte BPP auf die nanoskaligen Katalysatorpartikel der Membran-Elektrodeneinheit MEA zu erleichtern (vgl. die 3).The, in particular microporous, electrode unit MPL can advantageously without a further, for example fibrous intermediate layer, as a gas diffusion layer GDL serve to distribute the reactants from the millimeter structure of a bipolar plate BPP to the nanoscale catalyst particles of the membrane electrode assembly MEA to facilitate (see 3rd ).

Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The above description of the figures describes the present invention exclusively in the context of examples. Of course, individual features of the embodiments, if it makes technical sense, can be freely combined with one another without going outside the scope of the invention.

Claims (13)

Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektrodeneinheit (MEA) für eine Brennstoffzelle (100), die eine Elektrodeneinheit (MPL) aufweist, die dazu ausgeführt ist, als eine Gasdiffusionslage (GDL) zu dienen, aufweisend folgende Schritte: 1) Bereitstellen von partikelförmigen Komponenten (a, b): a) eines Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulats, b) eines polyvinylidenfluoridhaltigen Granulats (PVDF), 2) Vermischen von wenigstens einem Teil der Komponente a) mit der Komponente b) bis die Komponente b) an Partikeln der Komponente a) anhaftet, 3) Vermischen einer im Schritt 2) gewonnenen Vormischung mit einem restlichen Teil der Komponente a), 4) Auswalzen oder Extrudieren einer im Schritt 3) gewonnenen Mischung zu einem bandförmigen Material, welches die Elektrodeneinheit (MPL) bildet.Method for producing a membrane electrode assembly (MEA) for a fuel cell (100), which has an electrode assembly (MPL), which is designed to serve as a gas diffusion layer (GDL), comprising the following steps: 1) Provision of particulate components (a, b): a) a carbon and / or graphite granulate, b) a polyvinylidene fluoride-containing granulate (PVDF), 2) mixing at least part of component a) with component b) until component b) adheres to particles of component a), 3) mixing a premix obtained in step 2) with a remaining part of component a), 4) Rolling out or extruding a mixture obtained in step 3) into a strip-like material which forms the electrode unit (MPL). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 2) und/oder im Schritt 3) ein Lösemittel und/oder Wasser mit einem Massenanteil von 1 bis 10 Gew% innerhalb der jeweiligen Vormischung oder der Mischung zugegeben wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that in step 2) and / or in step 3) a solvent and / or water with a mass fraction of 1 to 10% by weight is added within the respective premix or the mixture. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 1) die Komponente b) in Form einer wässrigen Lösung mit einem Massenanteil von 30 bis 70 Gew% innerhalb der wässrigen Lösung bereitgestellt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step 1) component b) is provided in the form of an aqueous solution with a mass fraction of 30 to 70% by weight within the aqueous solution. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 1) die Komponenten (a, b) in einem Massenverhältnis 1:1 bis 20:1 bereitgestellt werden, und/oder im Schritt 2) die Komponenten (a, b) in einem Massenverhältnis 4:1 bis 19:1 bereitgestellt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step 1) the components (a, b) are provided in a mass ratio of 1: 1 to 20: 1, and / or in step 2) the components (a, b) in a mass ratio of 4: 1 to 19: 1 can be provided. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 1) der Komponente b) Polytetrafluorethylen-Granulat (PTFE) beigemischt wird, und/oder im Schritt 1) Polyvinylidenfluorid-Granulat (PVDF) und Polytetrafluorethylen-Granulat (PTFE) in einem Massenverhältnis 1:1 bis 5:1 bereitgestellt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step 1) component b) is mixed with polytetrafluoroethylene granules (PTFE), and / or in step 1) polyvinylidene fluoride granules (PVDF) and polytetrafluoroethylene granules (PTFE) in one Mass ratio 1: 1 to 5: 1 can be provided. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 2) ein Vorgranulieren der Partikel der Komponente a) mit dem Material der Komponente b) erfolgt, und/oder dass der Schritt 2) bei einer Temperatur von > 19 °C ausgeführt wird, und/oder dass der Schritt 2) mittels Extrudieren, Kneten, Mischen, Pressen oder Walzen ausgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step 2) the particles of component a) are pregranulated with the material of component b), and / or that step 2) is carried out at a temperature of> 19 ° C , and / or that step 2) is carried out by means of extrusion, kneading, mixing, pressing or rolling. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 3) ein Granulieren der Partikel der Komponente a) mit dem Material der Komponente b) erfolgt, und/oder dass der Schritt 3) bei einer Temperatur von 50 °C bis 400 °C ausgeführt wird, und/oder dass der Schritt 3) mittels Wirbelschichtgranulierung ausgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step 3) the particles of component a) are granulated with the material of component b), and / or in step 3) at a temperature of 50 ° C to 400 ° C is carried out and / or that step 3) is carried out by means of fluidized bed granulation. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 4) mindestens eine Walze (W1, W2) auf eine Temperatur 50 °C bis 400 °C beheizt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step 4) at least one roller (W1, W2) is heated to a temperature of 50 ° C to 400 ° C. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt 7) ein Benetzen des bandförmigen Materials mit einer katalytischen Lösung oder ein Beschichten des bandförmigen Materials mit einer Katalysatorschicht erfolgt, und/oder dass im Schritt 1) mindestens ein Teil der Partikel der Komponente a) mit einem Katalysator benetzt oder beschichtet ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in a further step 7) the band-shaped material is wetted with a catalytic solution or the band-shaped material is coated with a catalyst layer, and / or in step 1) at least some of the particles of component a) are coated with a catalyst is wetted or coated. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt 6) ein Bedrucken des bandförmigen Materials mit einer ionenleitfähigen Membran (M) zu einem mehrlagigen Material erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in a further step 6) the band-shaped material is printed with an ion-conductive membrane (M) to form a multilayer material. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt 7) ein Zuschneiden des mehrlagigen Materials zu einer Membran-Elektrodeneinheit (MEA) erfolgt.Method according to the preceding claim, characterized in that in a further step 7) the multilayer material is cut to a membrane electrode assembly (MEA). Membran-Elektrodeneinheit (MEA), dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektrodeneinheit (MEA) mithilfe eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.Membrane electrode unit (MEA), characterized in that the membrane electrode unit (MEA) is produced using a method according to one of the preceding claims. Brennstoffzelle (100) mit einer Membran-Elektrodeneinheit (MEA) nach dem vorhergehenden Anspruch.Fuel cell (100) with a membrane electrode assembly (MEA) according to the preceding claim.

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