From Ink to CCM: Interplay of Process Influences in Ink Processing, Membrane Direct Coating, and Drying in Fuel Cell Manufacturing

Brennstoffzellen sind eine vielversprechendes System im angestrebten Energiewandel. Für eine breite Markteinführung müssen die Systeme jedoch günstiger und hinsichtlich Performance und Langlebigkeit weiter verbessert werden. Herzstück der breit einsetzbaren Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle (PEMFC) ist die beidseitig Katalysator-beschichtete Membran (CCM, engl.: catalyst-coated membrane). Hier finden im Betrieb die elektrochemischen Reaktionen sowie der entscheidende Stofftransport der Reaktanten statt. An der CCM lassen sich die Kosten und Leistungsparameter des Gesamtsystems optimieren. ... mehrDiese Eigenschaften werden durch die CCM-Herstellung beeinflusst. Im Herstellungsprozess liegt daher ein großer Hebel zur Kosteneinsparung und Leistungs- sowie Lebensdauererhöhung der CCM und damit der gesamten Brennstoffzelle. Dafür notwendig sind ein besseres Verständnis des Herstellungsprozesses und eine systematische Untersuchung der zugrundeliegenden Effekte.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von CCM für PEMFC und leistet einen Beitrag zu den oben benannten Zielen sowie zu einem besseren Prozessverständnis. Konkret wird die Herstellung von Pt/C-basierten Katalysatortinten und ihre Applikation auf die protonenleitende Membran erforscht. Dabei werden drei zentrale Aspekte der CCM-Produktion untersucht: die Formulierung und Herstellung der Katalysatortinte, die Herausforderungen bei der Membrandirektbeschichtung (MDC) sowie die Trocknung der Lösemittel aus der sich ausbildenden Katalysatorschichten der CCM.

Fuel cells are a promising technology for the desired energy transition. However, to be adopted more widely, the systems must be cheaper and improved in terms of performance and durability. At the heart of the widely applicable polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is the double-sided catalyst-coated membrane (CCM). This is where the crucial mass transport of the reactants and the electrochemical reactions take place during operation. The costs and performance parameters of the overall system are optimized at the CCM. The CCM production process influences these properties. ... mehrTherefore, the manufacturing process is a key factor in reducing costs and enhancing the performance and service life of the CCM, and consequently, the entire fuel cell. This requires a better understanding of the manufacturing process and a systematic investigation of the underlying effects.
This study focuses on the production of CCM for PEMFCs, contributing to the aforementioned goals and enhancing the understanding of the manufacturing process. Specifically, it investigates the production of Pt/C-based catalyst inks and their application to the proton-conducting membrane. Three key aspects of CCM production are examined: the formulation and processing of the catalyst ink; the challenges of membrane direct coating (MDC); and solvent evaporation from the catalyst layers of the CCM.