Das Ziel des IGF-Projekts „3D‑Kat“ war es, durch eine dreidimensionale Gestaltung der Kathodenkatalysatorschicht (KKS) einer PEMFC den Bedarf am teuren Katalysatormetall Platin bei konstanter oder höherer elektrochemischer Leistung zu senken. Das Forschungsvorhaben umfasste die Entwicklung von Inkjet-kompatiblen Tinten (Katalysator-Ionomer-Dispersionen, KID), den Entwurf für das Kathodendesign, die Herstellung der KKS mittels Inkjet, die Assemblierung der Membran-Elektroden-Einheit (MEA) und die anschließende elektrochemische Charakterisierung. Die Entwicklung der 3D-Strukturierung der Kathode, also die Belegung mit dem Katalysatormetall Platin und dem protonenleitenden Ionomer in der Normalen (senkrecht zur Membran) oder der Ebene (Anpassung an die Kanäle und Stege) ist durch eine numerische Simulation mittels AVL FIRE™ unterstützt worden. In der Simulation wurden verschiedenen KKS Designs entworfen, welche im Projektverlauf validiert und optimiert wurden, um die Leistungsfähigkeit und Effizienz besser vorhersagen zu können.   

Die Tintenentwicklung umfasste zunächst ein Screening der einzelnen Komponenten (Lösungsmittel, Pt/C-Katalysator, Ionomer) und der Prozessparameter (Methode der Dispergierung, Dauer und Intensität). Als Ergebnis wurden drei KID mit unterschiedlichen Platinbeladungen und drei KID mit variierendem Massenanteil des protonenleitenden Ionomers hergestellt. Die KKS wurde anschließend direkt auf die Membran aufgetragen. Dabei wurden wichtige Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der Dispergierprozedur mit den resultierenden Eigenschaften der KID, ihrem Verhalten im Inkjet-System und letztlich dem Einfluss auf die elektrochemische Leistung der MEA analysiert. Die Strukturierung in der Ebene orientierte sich dabei an der mäanderförmigen Struktur der Kanäle des Flowfiels (siehe Foto). Zur Realisierung der Strukturierung in der Normalen wurden die KID schichtweise übereinander aufgetragen. Die Variation der Ionomerkonzentration in der Normalen hat gezeigt, dass eine Erhöhung der Konzentration des Ionomers in der Nähe der Membran zu einer Leistungssteigerung der MEA führt, während eine geringere Konzentration des Ionomers an dieser Stelle zu geringerer Leistung im Vergleich zu einer ungradierten Referenz bewirkt. Diese Beobachtungen lassen auf die Notwendigkeit einer guten Protonenleitfähigkeit in diesem kritischen Bereich schließen.

Aufbauend auf den vielversprechenden Erkenntnissen soll in einem Folgeprojekt die Skalierung des Druckes in einem Rolle-zu-Rolle Prozess unter Ausnutzung der Stärken der Inkjet-Technik entwickelt werden Die Technologie verspricht, verglichen mit den konventionellen Verfahren, eine materialeffizientere und flexiblere Fertigung strukturierter PEMFC-Komponenten.

Projektinformationen:

• IGF-Vorhaben Nr. 30 EWBG
• PEM-Brennstoffzellen im Inkjetdruck (3D-Kat)
• Laufzeit: 01.02.2018 – 31.12.2020
• AiF-Forschungsvereinigung: FKM VDMA

Projektpartner:

• Technische Universität Chemnitz, Institut für Print und Medientechnik
• Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH, Abteilung für elektrochemische Komponenten