DE102009023160A1 - Gravure printing method for producing catalyst layers on e.g. ionomer membranes, involves utilizing printing plate that exhibits print image with interrupted line grid pattern whose longitudinal lines are arranged against pressure direction - Google Patents

Gravure printing method for producing catalyst layers on e.g. ionomer membranes, involves utilizing printing plate that exhibits print image with interrupted line grid pattern whose longitudinal lines are arranged against pressure direction Download PDF

Info

Publication number
DE102009023160A1
DE102009023160A1 DE102009023160A DE102009023160A DE102009023160A1 DE 102009023160 A1 DE102009023160 A1 DE 102009023160A1 DE 102009023160 A DE102009023160 A DE 102009023160A DE 102009023160 A DE102009023160 A DE 102009023160A DE 102009023160 A1 DE102009023160 A1 DE 102009023160A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
range
printing
catalyst
catalyst layers
angle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE102009023160A
Other languages
German (de)
Inventor
Reinhard Baumann
Andreas Willert
Frank Siegel
Albert Kohl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Greenerity GmbH
Original Assignee
SolviCore GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SolviCore GmbH and Co KG filed Critical SolviCore GmbH and Co KG
Priority to DE102009023160A priority Critical patent/DE102009023160A1/en
Priority to PCT/EP2010/003226 priority patent/WO2010136204A1/en
Priority to JP2012512257A priority patent/JP2012528425A/en
Priority to CA2763412A priority patent/CA2763412C/en
Priority to US13/322,472 priority patent/US20120125211A1/en
Priority to TW099117015A priority patent/TW201110450A/en
Priority to CN201080023466.3A priority patent/CN102449826B/en
Priority to EP10725017.7A priority patent/EP2436071B1/en
Publication of DE102009023160A1 publication Critical patent/DE102009023160A1/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8825Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8828Coating with slurry or ink
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41MPRINTING, DUPLICATING, MARKING, OR COPYING PROCESSES; COLOUR PRINTING
    • B41M1/00Inking and printing with a printer's forme
    • B41M1/10Intaglio printing ; Gravure printing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41MPRINTING, DUPLICATING, MARKING, OR COPYING PROCESSES; COLOUR PRINTING
    • B41M3/00Printing processes to produce particular kinds of printed work, e.g. patterns
    • B41M3/006Patterns of chemical products used for a specific purpose, e.g. pesticides, perfumes, adhesive patterns; use of microencapsulated material; Printing on smoking articles
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8825Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8828Coating with slurry or ink
    • H01M4/8835Screen printing
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

The method involves utilizing a printing plate that exhibits a print image with an interrupted line grid pattern whose longitudinal lines are arranged against a pressure direction in an angle between 20 to 70 degree. The image exhibits drawing volume in a range of 150 to 250 milli liter per meter square, and exhibits corroding depth in a range of 120 to 200 micrometer. Produced catalyst layers possess a dry coating weight in a range of 2 to 15 micrometer. The longitudinal lines exhibit line length (L) in a range of 0.1 to 20 mm and width (B) of the lines in a range of 0.1 to 0.5 mm. An independent claim is also included for a low printing plate for production of catalyst layers on substrate materials.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellenkomponenten, insbesondere ein Tiefdruckverfahren zur Herstellung von Katalysatorschichten, Elektroden und Membran-Elektroden-Einheiten („MEEs”) für Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen („PEM-Brennstoffzellen”).The The present invention relates to a process for the preparation of Fuel cell components, in particular a gravure printing method for the preparation of catalyst layers, electrodes and membrane-electrode assemblies ("MEEs") for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells ( "PEM fuel cell").

Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel örtlich voneinander getrennt an zwei Elektroden in Strom, Wärme und Wasser um. Als Brennstoff dient in der Regel Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas, als Oxidationsmittel Sauerstoff oder Luft. Der Vorgang der Energieumwandlung in der Brennstoffzelle zeichnet sich durch einen besonders hohen Wirkungsgrad aus. Aus diesem Grunde gewinnen Brennstoffzellen in Kombination mit Elektromotoren zunehmend Bedeutung als Alternative für herkömmliche Verbrennungskraftmaschinen. Die PEM-Brennstoffzelle eignet sich auf Grund ihrer kompakten Bauweise, ihrer Leistungsdichte sowie ihres hohen Wirkungsgrades für den Einsatz als Energiewandler in Kraftfahrzeugen.fuel cells locally convert a fuel and an oxidizer separated from each other on two electrodes in electricity, heat and water around. As fuel is usually hydrogen or a hydrogen-rich gas, as an oxidant oxygen or Air. The process of energy conversion in the fuel cell draws characterized by a very high efficiency. For this reason gain fuel cells in combination with electric motors increasingly Meaning as an alternative for conventional internal combustion engines. The PEM fuel cell is suitable due to its compact design, their power density and high efficiency for the use as an energy converter in motor vehicles.

Die PEM-Brennstoffzelle besteht aus einer stapelweisen Anordnung (”Stack”) von Membran-Elektroden-Einheiten („MEE”), zwischen denen bipolare Platten zur Gaszufuhr und Stromableitung angeordnet sind. Eine Membran-Elektroden-Einheit besteht aus einer festen Polymer-Elektrolyt-Membran, die auf beiden Seiten mit katalysatorhaltigen Reaktionsschichten versehen ist. Eine der Reaktionsschichten ist als Anode für die Oxidation von Wasserstoff und die zweite Reaktionsschicht als Kathode für die Reduktion von Sauerstoff ausgebildet. Auf diese Reaktionsschichten werden sogenannte Gasverteilerstrukturen (engl. „gas diffusion layers”, GDLs) aus Kohlefaserpapier oder Kohlevlies aufgebracht, die einen guten Zugang der Re aktionsgase zu den Elektroden und eine gute Ableitung des Zellenstroms ermöglichen. Anode und Kathode enthalten sogenannte Elektrokatalysatoren, die die jeweilige Reaktion (Oxidation von Wasserstoff an der Anode beziehungsweise Reduktion von Sauerstoff an der Kathode) katalytisch unterstützen. Als katalytisch aktive Komponenten werden in der Regel die Edelmetalle, vorzugsweise die Metalle der Platingruppe des Periodensystems der Elemente (PGMs) eingesetzt. In der Mehrzahl werden sogenannte Trägerkatalysatoren verwendet, bei denen die katalytisch aktiven Platingruppenmetalle in hochdisperser Form auf die Oberfläche eines leitfähigen Trägermaterials aufgebracht wurden.The PEM fuel cell consists of a stacked arrangement ("stack") of membrane-electrode assemblies ("MEE"), between which arranged bipolar plates for gas supply and current dissipation are. A membrane-electrode assembly consists of a solid polymer electrolyte membrane, on both sides with catalyst-containing reaction layers is provided. One of the reaction layers is as an anode for the oxidation of hydrogen and the second reaction layer as Cathode designed for the reduction of oxygen. On These reaction layers become so-called gas distribution structures ("Gas diffusion layers", GDLs) made of carbon fiber paper or carbon fleece applied, the good access of the reaction gases to allow the electrodes and a good dissipation of the cell current. Anode and cathode contain so-called electrocatalysts, the the respective reaction (oxidation of hydrogen at the anode or reduction of oxygen at the cathode) catalytically support. As catalytically active components are usually the precious metals, preferably the metals of the platinum group of the periodic table of the Elements (PGMs) used. The majority become so-called supported catalysts used in which the catalytically active platinum group metals in highly dispersed form on the surface of a conductive Carrier material were applied.

Die Polymer-Elektrolyt-Membran besteht aus protonenleitenden Polymermaterialien. Diese Materialien werden im Folgenden auch kurz als Ionomere bezeichnet. Bevorzugt wird ein Tetrafluorethylen-Fluorvinylether-Copolymer mit Säurefunktionen, insbesondere Sulfonsäuregruppen, verwendet. Solche Materialien werden zum Beispiel unter den Handelsnamen Nafion® (E. I. du Pont) oder Flemion® (Asahi Glass Co.) vertrieben. Es sind jedoch auch andere, insbesondere fluorfreie Ionomermaterialien, wie sulfonierte Polyetherketone oder Arylketone oder Polybenzimidazole einsetzbar. Darüberhinaus sind auch keramische Membrane und andere Hochtemperaturmaterialien verwendbar.The polymer electrolyte membrane consists of proton-conducting polymer materials. These materials will also be referred to as ionomers for short. Preference is given to using a tetrafluoroethylene-fluorovinyl ether copolymer having acid functions, in particular sulfonic acid groups. Such materials are, for example, under the trade name Nafion ® (EI du Pont) or Flemion ® (Asahi Glass Co.) sold. However, other, in particular fluorine-free, ionomer materials, such as sulfonated polyether ketones or aryl ketones or polybenzimidazoles can also be used. In addition, ceramic membranes and other high temperature materials are also usable.

Die Leistungsdaten einer Brennstoffzelle hängen entscheidend von der Qualität der auf die Polymer-Elektrolyt-Membran aufgebrachten Katalysatorschichten ab. Diese Schichten sind zumeist hochporös und bestehen gewöhnlich aus einem Ionomer und einem darin dispergierten feinteiligen Elektrokatalysator. Zusammen mit der Polymer-Elektrolyt-Membran bilden sich in diesen Schichten sogenannte Drei-Phasen-Grenzflächen aus, wobei das Ionomer in direktem Kontakt mit dem Elektrokatalysator und den über das Porensystem an die Katalysatorpartikel herangeführten Gasen (Wasserstoff an der Anode, Luft an der Kathode) steht.The Performance data of a fuel cell are crucial from the quality of the polymer electrolyte membrane applied catalyst layers from. These layers are mostly highly porous and usually consist of an ionomer and a finely divided electrocatalyst dispersed therein. Together with the polymer electrolyte membrane form in these layers so-called three-phase interfaces, wherein the ionomer in direct contact with the electrocatalyst and the over brought the pore system to the catalyst particles Gases (hydrogen at the anode, air at the cathode) is.

Im Hinblick auf eine breite Marktdurchdringung der Brennstoffzellentechnologie im mobilen Bereich ist eine deutliche Absenkung der Kosten für die Herstellung von Brennstoffzellen, insbesondere von Elektroden und Membran-Elektroden-Einheiten notwendig.in the With a view to broad market penetration of fuel cell technology In the mobile sector is a significant reduction in the cost of the Production of fuel cells, in particular of electrodes and Membrane electrode units necessary.

Bisher werden zur Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten Standardverfahren eingesetzt, die Beschichtungsgeschwindigkeiten (bzw. Produktionsgeschwindigkeiten) im Bereich von 0.5 m/min bis 2 m/min (= 0.008 bis 0.03 m/s) erlauben. Es handelt sich hierbei z. B. um Siebdruckverfahren oder Rakelbeschichtungsverfahren. Für eine Anwendung zur Massenfertigung sind deutlich höhere Produktionsgeschwindigkeiten erforderlich.So far become standard methods for the production of membrane electrode units used, the coating speeds (or production speeds) in the range of 0.5 m / min to 2 m / min (= 0.008 to 0.03 m / s). These are z. For example, by screen printing or knife coating method. For an application for mass production are significantly higher Production speeds required.

Aus dem Bereich der Printmedien sind Beschichtungsverfahren mit deutlich höherer Geschwindigkeit bekannt. In diesem Zusammenhang ist insbesondere die Tiefdrucktechnologie von Interesse. Der Tiefdruck findet als Massendruckverfahren Anwendung im Zeitschriftendruck mit hohen Auflagen sowie im Verpackungs-, Dekor- und Wertpapierdruck. Im Standard-Tiefdruckverfahren werden Raster-Muster oder Punkt-Muster, jedoch keine zusammenhängenden Flächen erzeugt.Out In the field of print media, coating processes are evident higher speed known. In this context In particular, the gravure printing technology is of interest. The gravure finds as a mass printing method in magazine printing with high Editions as well as in packaging, decor and security printing. In the standard gravure printing process become raster patterns or dot patterns, but not contiguous ones Created surfaces.

Das Tiefdruckverfahren ist insbesondere aufgrund der erzielbaren hohen Produktionsgeschwindigkeiten für eine Massenfertigung von Brennstoffzellenkomponenten interessant. Es ermöglicht einen kontinuierlichen Prozess zur Substratbeschichtung, darüber hinaus können die Substrate im Tiefdruck in diskreten Mustern (Druckbildern) oder in vollflächiger, zusammenhängender Form beschichtet werden.The Gravure printing is particularly high due to the achievable Production speeds for a mass production of Fuel cell components interesting. Allows a continuous process for substrate coating, above In addition, the substrates can be gravure printed in discrete patterns (Printed images) or in full-surface, coherent Form are coated.

Die Funktionsweise des Tiefdruckverfahrens ist dem Fachmann auf dem Gebiet der Drucktechnik wohlbekannt. Eine detaillierte Abhandlung hierzu findet sich in Helmut Kipphan (Hrsg.), Handbuch der Printmedien – Technologien und Produktionsverfahren, Springer-Verlag, Berlin (2000) . Das allgemeine Prinzip des Tiefdrucks ist in der 1 dargestellt.The operation of the gravure printing process is well known to those skilled in the printing art. A detailed essay on this can be found in Helmut Kipphan (ed.), Handbuch der Printmedien - Technologie und Produktionsverfahren, Springer-Verlag, Berlin (2000) , The general principle of gravure is in the 1 shown.

Hierin bedeuten (vgl. dazu DIN 16528 – Begriffe für den Tiefdruck):Herein mean (cf. DIN 16528 - terms for gravure printing):

11
Druckformzylinder (Druckform)Plate cylinder (Print form)
22
Druckbildprint image
33
Druckmotiv (gedruckte Katalysatorschicht)print motif (printed catalyst layer)
44
Substratmaterialsubstrate material
55
Gegendruckzylinder (Presseur)Impression cylinder (Impression roller)
66
Rakel mit Rakelmesserdoctor with doctor blade
77
Farbwanne (Einfärbesystem)paint tray (Inking)
88th
Druckpaste (Tinte, Dispersion)printing paste (Ink, dispersion)
99
Rotationsrichtung Druckzylinderdirection of rotation pressure cylinder
1010
Rotationsrichtung Gegendruckzylinderdirection of rotation Impression cylinder
1111
Bewegungsrichtung Substratmaterial (Druckrichtung)movement direction Substrate material (printing direction)

Prinzipiell wird beim Tiefdruck die in einer Farbwanne (7) befindliche Tinte auf einen walzenförmigen Druckformzylinder (1) übertragen, der sich in Rotationsrichtung (9) bewegt. In der vorliegenden Anmeldung wird dieser Zylinder als „Druckform” bzw. „Sleeve” bezeichnet. Auf der Druckform (1) sind Druckbilder bzw. Rasterfelder (2) als Vertiefungen eingebracht. Die Druckpaste/Tinte (8) fließt in die Vertiefungen des Druckbildes (2) und füllt diese aus. Mit Hilfe einer Rakel mit Rakelmesser (6) wird die überschüssige Druckpaste/Tinte (8) von der Druckform abgestreift. Danach wird die in den Vertiefungen des Druckbildes (2) verbliebene Druckpaste/Tinte mittels eines Gegendruckzylinders (5) auf die Oberfläche eines Substrates (4) übertragen. Der durch den Druckvorgang erzeugte Abdruck bzw. die erzeugte Schicht (3) auf dem Substrat (4) wird in der vorliegenden Anmeldung als Druckmotiv (3) bezeichnet.In principle, gravure printing takes place in a paint tray ( 7 ) located on a cylinder-shaped printing forme cylinder ( 1 ), which rotates in the direction of rotation ( 9 ) emotional. In the present application, this cylinder is referred to as a "printing form" or "sleeve". On the printing form ( 1 ) are printed images or grids ( 2 ) introduced as depressions. The printing paste / ink ( 8th ) flows into the depressions of the printed image ( 2 ) and fill them out. With the help of a squeegee with doctor blade ( 6 ), the excess print paste / ink ( 8th ) stripped from the printing form. Thereafter, the in the wells of the printed image ( 2 ) remaining printing paste / ink by means of a counter-pressure cylinder ( 5 ) on the surface of a substrate ( 4 ) transfer. The impression produced by the printing process or the layer produced ( 3 ) on the substrate ( 4 ) is used in the present application as a print motif ( 3 ) designated.

Alternativ können die Rakel (6) und die Farbwanne (7) kombiniert werden und als geschlossenes Einfärbesystem (zum Beispiel als „Kammerrakel”) ausgebildet sein. Die Tintenzufuhr erfolgt dann über einen Drucktopf. Überstehendes Material wird mit einem Rakelmesser abgestreift, das direkt auf der Oberfläche des Druckformzylinders (1) läuft. Anordnung von Kammerrakel und Rakelmesser sind beliebig variierbar.Alternatively, the squeegee ( 6 ) and the ink tray ( 7 ) and formed as a closed Einfärbesystem (for example, as a "chamber doctor blade"). The ink supply then takes place via a pressure pot. Protruding material is stripped off with a doctor blade, which is placed directly on the surface of the plate cylinder ( 1 ) running. Arrangement of chamber doctor blade and doctor blade are freely variable.

Wie aus 2 ersichtlich, können auf dem Druckformzylinder (1) mehrere Druckbilder (2) eingebracht werden. Die Anzahl der Druckbilder ist von der verfügbaren Fläche des Druckformzylinders und der Größe der einzelnen Druckbilder abhängig.How out 2 can be seen on the printing plate cylinder ( 1 ) several print images ( 2 ) are introduced. The number of print images depends on the available area of the plate cylinder and the size of the individual print images.

3 zeigt ein einzelnes Druckbild (2) im Detail. Man erkennt die verschiedenen Stege (12), die ein Raster bzw. eine Rasterstruktur bilden. Diese Abbildung zeigt exemplarisch ein Linienraster mit zusätzlichen Querlinien, es sind jedoch auch alle anderen erfindungsgemäßen Rasterstrukturen möglich. Die Stege (12) stellen Trennwände dar, die die Vertiefungen einer Tiefdruckform voneinander abgrenzen und beim Abrakeln durch das Rakel (6) diesem als Auflage dienen. 3 shows a single print image ( 2 ) in detail. One recognizes the different webs ( 12 ), which form a grid or a grid structure. This figure shows an example of a line grid with additional cross lines, but all other grid structures according to the invention are also possible. The bridges ( 12 ) represent partitions which delimit the depressions of a gravure form from each other and when doctored off by the doctor blade ( 6 ) serve as an edition.

Der Tiefdruck ermöglicht eine variable Geometrie des gewünschten Druckmotivs (3), d. h. es können neben rechtwinkligen auch elliptische oder kreisförmige Katalysatorschichten (Druckmotive) erzeugt werden. Die Menge der übertragenen Tinte/Paste wird durch das Volumen der Druckform (1) bzw. der einzelnen Druckbilder (2) bestimmt. Man erhält eine hohe Reproduzierbarkeit der Schichtdicke der einzelnen Druckmotive.The gravure allows a variable geometry of the desired print motif ( 3 ), ie it can be generated in addition to rectangular and elliptical or circular catalyst layers (print motifs). The amount of transferred ink / paste is determined by the volume of the printing form ( 1 ) or the individual print images ( 2 ) certainly. This gives a high reproducibility of the layer thickness of the individual print motifs.

Die Anwendung von Tiefdruckverfahren zur Herstellung von Elektroden und Brennstoffzellenkomponenten wurde bereits vorgeschlagen. So lehrt die DE 195 48 422 eine kontinuierliche Herstellung von Materialverbänden (d. h. MEE-Laminaten) für Brennstoffzellen, wobei als Beschichtungsverfahren Siebdruck, Hochdruck und Tiefdruck eingesetzt werden. Auch aus der EP 1,037,295 B2 ist ein Verfahren zum Aufbringen von Elektrodenschichten auf eine bandförmige Polymerelektrolytmembran für Brennstoffzellen bekannt. Als Druckverfahren wird vorzugsweise der Siebdruck verwendet. In beiden Dokumenten wird das Tiefdruckverfahren genannt, jedoch nicht weiter beschrieben.The use of gravure printing processes for the production of electrodes and fuel cell components has already been proposed. That's how it teaches DE 195 48 422 continuous production of composite materials (ie MEE laminates) for fuel cells, using screen printing, high-pressure and gravure printing as coating methods. Also from the EP 1,037,295 B2 is a method of applying Electrode layers on a band-shaped polymer electrolyte membrane for fuel cells known. As the printing method, the screen printing is preferably used. In both documents the gravure printing process is mentioned, but not further described.

In den US 6,967,038 B2 und US 7,316,794 wird die Herstellung von katalysatorbeschichteten Membranen mit einem flexographischen Hochdruckverfahren („raised relief printing”) beschrieben. Dieses Verfahren umfasst die Verwendung von präformierten Platten mit erhobenen Flächen, die das Druckmotiv definieren. Auf die erhobene Fläche („raised relief”) wird Katalysatorpaste aufgebracht und diese dann auf die Membran übertragen.In the US Pat. No. 6,967,038 B2 and US 7,316,794 describes the preparation of catalyst-coated membranes with a raised relief printing process. This method involves the use of preformed panels with raised surfaces that define the print motif. Catalyst paste is applied to the raised surface and then transferred to the membrane.

Nachteile dieses Druckverfahrens sind die inhomogene Schichtdicke sowie die mangelnde Kantenschärfe der Druckmotive.disadvantage This printing process are the inhomogeneous layer thickness and the lack of edge sharpness of the print motifs.

Aus der US 6,280,879 ist ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden-Stromkollektor-Laminaten für elektrochemische Vorrichtungen, insbesondere Li-Polymerbatterien bekannt. Das Patent lehrt ein Verfahren zur Erzeugung von dicken Schichten eines Elektrodenmaterials auf einer Stromkollektorfolie mit Hilfe des Tiefdruckverfahrens.From the US 6,280,879 For example, a method of making electrode current collector laminates for electrochemical devices, particularly Li-polymer batteries, is known. The patent teaches a method of forming thick layers of electrode material on a current collector foil by means of the gravure printing process.

Die US 2004/0221755A1 beschreibt ein Tiefdruckverfahren zur Herstellung von keramischen Vielschichtkondensatoren („multilayer ceramic capacitors”). Dabei wird Elektrodenpaste in Form von rechteckigen Druckmotiven auf eine Keramikfolie aufgebracht. Jedes Druckbild („image area”) weist Begrenzungslinien sowohl parallel als auch senkrecht zur Druckrichtung auf. Dadurch werden einzelne Zellen in den Druckbildern gebildet; über das Schöpfvolumen oder die Ätztiefe dieser Zellen ist nichts bekannt. Das Verfahren ist insbesondere für hochviskose, metallpulverhaltige Pasten geeignet.The US 2004 / 0221755A1 describes a gravure printing process for the production of multilayer ceramic capacitors. Here, electrode paste is applied in the form of rectangular print motifs on a ceramic foil. Each print image ("image area") has boundary lines both parallel and perpendicular to the print direction. As a result, individual cells are formed in the printed images; nothing is known about the scum volume or etch depth of these cells. The method is particularly suitable for high-viscosity, metal powder-containing pastes.

In der WO 03/054991 A1 wird ein Tiefdruckverfahren zum Beschichten einer Brennstoffzellenmembran mit Katalysator beschrieben. Die dabei erzeugten Katalysatorschichten sind nicht homogen, sondern weisen eine Vielzahl von dreidimensionalen Struktureinheiten auf. Die einzelnen Rasterstrukturen des Druckbildes finden sich in der Katalysatorschicht wieder. Aufgrund der fehlenden kontinuierlichen Struktur sowie der inhomogenen Schichtdicke sind die so hergestellten Katalysatorschichten für PEM-Brennstoffzellen wenig geeignet.In the WO 03/054991 A1 describes a gravure printing method for coating a fuel cell membrane with catalyst. The catalyst layers produced are not homogeneous, but have a plurality of three-dimensional structural units. The individual screen structures of the printed image can be found in the catalyst layer again. Due to the lack of a continuous structure and the inhomogeneous layer thickness, the catalyst layers thus produced are not very suitable for PEM fuel cells.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Tiefdruckverfahren bereitzustellen, mit dem Katalysatorschichten mit einer zusammenhängenden, kontinuierlichen Struktur hergestellt werden können. Das Verfahren soll kontinuierlich zu betreiben sein, eine hohe Druckgeschwindigkeit bzw. Produktionsgeschwindigkeit ermöglichen und sowohl zur Direktbeschichtung von Ionomermembranen als auch zur Beschichtung anderer Substratmaterialien (Abziehbildsubstrate, Decals, PET- Folien, beschichtete Papiere, Kohlefaservliesstoffe etc) eingesetzt werden können. Die nach dem Verfahren hergestellten Katalysatorschichten sollen in der Brennstoffzelle eine gute elektrische Leistung zeigen.It is therefore an object of the present invention, an improved To provide gravure printing process, with the catalyst layers with a coherent, continuous structure can be produced. The procedure should be continuous be operated, a high printing speed or production speed and for the direct coating of ionomer membranes as well as for coating other substrate materials (decal substrates, Decals, PET films, coated papers, carbon fiber nonwovens etc) can be used. The produced by the process Catalyst layers should in the fuel cell a good electrical Show performance.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den vorliegenden Ansprüchen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen genannt. Weiterhin wird eine erfindungsgemäße Druckform beansprucht.These The object is achieved by the method according to the present invention Claims solved. Preferred embodiments of the method are mentioned in the subclaims. Farther If a printing form according to the invention claimed.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Tiefdruckverfahren zur Erzeugung von Katalysatorschichten auf Substratmaterialien mit Hilfe von katalysatorhaltigen Tinten, wobei eine Druckform eingesetzt wird, die mindestens ein Druckbild enthält, das ein unterbrochenes Linienraster aufweist. Die Längslinien dieses unterbrochenen Linienrasters sind in einem Winkel α von 10° bis 80°, bevorzugt in einem Winkel α von 20° bis 70° gegen die Druckrichtung angeordnet.The The present invention relates to a gravure printing process for the production of catalyst layers on substrate materials with the aid of catalyst-containing Inks, wherein a printing form is used, the at least one Print image contains a broken line grid having. The longitudinal lines of this interrupted line grid are at an angle α of 10 ° to 80 °, preferably at an angle α of 20 ° to 70 ° to the Arranged printing direction.

In einer möglichen Ausführungsform des Verfahrens besitzt die Druckform (bzw. das Druckbild) ein Schöpfvolumen im Bereich von 100 bis 300 ml/m2, vorzugsweise im Bereich von 150 bis 250 ml/m2. In einer weiteren möglichen Ausführungsform weist die Druckform (bzw das Druckbild) eine Ätztiefe im Bereich von 100 bis 250 μm, vorzugsweise im Bereich von 120 bis 200 μm auf.In one possible embodiment of the method, the printing form (or the print image) has a scoop volume in the range from 100 to 300 ml / m 2 , preferably in the range from 150 to 250 ml / m 2 . In a further possible embodiment, the printing form (or the printed image) has an etching depth in the range from 100 to 250 μm, preferably in the range from 120 to 200 μm.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Katalysatorschichten sollen zusammenhängend bzw. kontinuierlich sein. Sie sollen eine Trockenschichtdicke im Bereich von 1 bis 20 μm, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 15 μm und besonders bevorzugt im Bereich von 5 bis 10 μm aufweisen.The generated by the method according to the invention Catalyst layers should be continuous or continuous be. They should have a dry film thickness in the range of 1 to 20 μm, preferably in the range of 2 to 15 microns and more preferably in the range of 5 to 10 microns.

Es hat sich gezeigt, dass diese Aufgabe durch die Bereitstellung von geeigneten Druckformen bzw. Druckbildern erreicht werden kann. Die Versuche zeigten, dass die für die Katalysatorschicht notwendige Trockenschichtdicke erzielt werden kann, wenn eine ausreichende Menge an Katalysatortinte auf das Substrat übertragen wird. Als Resultat ergab sich, dass die Druckform (bzw das Druckbild) ein bestimmtes Schöpfvolumen aufweisen sollte. Die für das erfindungsgemäße Verfahren geeigneten Druckformen (bzw. Druckbilder) weisen Schöpfvolumina im Bereich von 100 bis 300 ml/m2 auf; besonders geeignet sind Schöpfvolumina im Bereich von 150 bis 250 ml/m2. Damit wird bewirkt, dass ein ausreichendes Volumen an Katalysatortinte auf das Substrat übertragen wird. Bei zu hohen Schöpfvolumina lässt sich die Tinte schlecht abrakeln, dies führt zu unsauberen Druckbildern (z. B. Schleier außerhalb der Druckbilder).It has been found that this task by the provision of suitable printing forms or Print images can be achieved. The experiments showed that the necessary dry film thickness for the catalyst layer can be achieved if a sufficient amount of catalyst ink is transferred to the substrate. As a result, it was found that the printing form (or the printed image) should have a certain scoop volume. The printing plates (or printed images) suitable for the process according to the invention have scoop volumes in the range from 100 to 300 ml / m 2 ; Particularly suitable are scoop volumes in the range of 150 to 250 ml / m 2 . This causes a sufficient volume of catalyst ink to be transferred to the substrate. If the pumping volumes are too high, the ink can hardly be doctored off, which leads to unclean printed images (eg, fog outside the printed images).

Wie sich bei den Versuchen zur vorliegenden Erfindung weiter zeigte, ist eine Druckform (bzw. ein Druckbild) mit einer Ätztiefe im Bereich von 100 bis 250 μm, vorzugsweise im Bereich von 120 bis 200 μm notwendig, um die gewünschten Trockenschichtdicken zu erzielen. Diese Werte liegen deutlich über den im Tiefdruck verwendeten Druckformen, deren Ätztiefen im Bereich von 10 bis 50 μm liegen.As was further demonstrated in the experiments of the present invention, is a printing form (or a printed image) with an etching depth in the range of 100 to 250 μm, preferably in the range from 120 to 200 microns necessary to the desired To achieve dry film thicknesses. These values are significantly higher the gravure printing plates used, their etching depths in the range of 10 to 50 microns.

Konventionelle Tiefdruckformen wie Kreuzraster oder Punktraster weisen in der Regel Schöpfvolumina bis zu 40 ml/m2 auf. Solche Raster besitzen eine große Anzahl von regelmäßig angeordneten Näpfchen, die mit Tinte gefüllt werden. Beim Druckvorgang wird die in die Näpfchen geflossene Tinte auf das Substrat übertragen. Im Laufe der Arbeiten hat sich gezeigt, dass solche herkömmlichen Kreuzraster oder Punktraster zur Erzielung der notwendigen Trockenschichtdicken wenig geeignet sind.Conventional intaglio printing forms such as cross grid or dot matrix usually have a scoop volume of up to 40 ml / m 2 . Such rasters have a large number of regularly arranged wells filled with ink. During printing, the ink that has flowed into the cups is transferred to the substrate. In the course of the work, it has been shown that such conventional cross lattices or dot patterns are less suitable for achieving the necessary dry layer thicknesses.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist die Bereitstellung einer geeigneten Rasterstruktur bzw. Rastergeometrie für die Druckform. Die für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Rasterstruktur sollte nur ein minimales Volumen im Übertragungsbereich auf der Druckform (bzw. im Druckbild) belegen, jedoch eine ausreichende Stützfunktion für die Rakel (bzw das Rakelmesser) aufweisen sowie eine gute Übertragung der Tinte auf das Substrat ermöglichen.One Another essential aspect is the provision of a suitable Raster structure or raster geometry for the printing form. The for the inventive method suitable grid structure should only have a minimal volume in the transmission area on the printing form (or in the printed image) occupy, but a sufficient Support function for the squeegee (or doctor blade) and a good transfer of the ink to the Substrate enable.

Überraschenderweise hat sich die Verwendung von unterbrochenen Linienrastern als vorteilhaft herausgestellt. Solche unterbrochenen Linien raster weisen geometrische Struktureinheiten auf, die unterschiedliche Längen- und Breitenabmessungen sowie unterschiedliche Winkel, gegebenenfalls in Kombination, besitzen. Innerhalb eines Druckbildes wiederholen sich diese Struktureinheiten sowohl hintereinander (d. h. in x-Richtung) als auch übereinander (d. h. in y-Richtung). Die Katalysatortinte befindet sich dabei in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Linien bzw. Stegen (12) des Druckbildes (2) und wird beim Druckvorgang auf das Substrat übertragen. Die 4, 5, 6 und 7 zeigen schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Druckformen bzw. Druckbilder mit linienförmigen Rasterstrukturen. Im Folgenden bedeuten:

L
= Länge eine Längslinie
B
= Breite einer Längslinie
A1, A2
= Linienabstände
Z
= Zwischenraum zwischen zwei Linien einer Reihe
V, V1, V2
= Reihenversatz (positiv und/oder negativ)
α
= Winkel zwischen Druckrichtung und Längslinie.
Surprisingly, the use of broken line grids has been found to be advantageous. Such broken line rasters have geometric structural units having different length and width dimensions and different angles, optionally in combination. Within a printed image, these structural units are repeated both one behind the other (ie in the x-direction) and one above the other (ie in the y-direction). The catalyst ink is in the spaces between the individual lines or webs ( 12 ) of the printed image ( 2 ) and is transferred to the substrate during the printing process. The 4 . 5 . 6 and 7 show schematically the structure of the printing forms according to the invention or printed images with linear raster structures. In the following mean:
L
= Length a longitudinal line
B
= Width of a longitudinal line
A1, A2
= Line distances
Z
= Space between two lines of a row
V, V1, V2
= Row offset (positive and / or negative)
α
= Angle between printing direction and longitudinal line.

Für den Winkel α, der den Winkel zwischen der Druckrichtung und den Längslinien definiert, sind prinzipiell zwei Winkelangaben möglich, die sich in der jeweiligen Drehrichtung unterscheiden (+α und –α). Sie resultieren aus der Spiegelung dieses Winkels an der Druckrichtung als Achse. In der vorliegenden Patentanmeldung umfasst die Winkelangabe α beide Drehrichtungen bzw. Möglichkeiten, zumal sich keine beobachtbaren Unterschiede bei der Anordnung des Linienrasters im originalen oder im gespiegelten Winkel α gegen die Druckrichtung ergeben haben.For the angle α, which is the angle between the printing direction and the longitudinal lines are defined, in principle, two angle specifications possible, which differ in the respective direction of rotation (+ α and -α). They result from the Reflection of this angle on the printing direction as an axis. In the The present patent application comprises the angle indication α both Turning directions or possibilities, especially since there are no observable ones Differences in the arrangement of the line grid in the original or in the mirrored angle α result against the pressure direction to have.

4 zeigt ein Beispiel für ein unterbrochenes Linienraster, das nur parallele Längslinien, jedoch keine Querlinien aufweist. In diesem Beispiel ist der Reihenversatz V der Längslinien jeweils positiv, d. h. als Überlappung ausgebildet. 4 shows an example of a broken line grid having only parallel longitudinal lines, but no cross lines. In this example, the row offset V of the longitudinal lines is respectively positive, ie formed as an overlap.

5 zeigt ein Beispiel für ein unterbrochenes Linienraster mit Längslinien, die sowohl einen positiven Versatz (V1) als auch einen negativen Versatz (V2) d. h. eine Lücke aufweisen. 5 shows an example of a broken line grid with longitudinal lines having both a positive offset (V1) and a negative offset (V2), ie a gap.

6 verdeutlicht ein Beispiel für ein unterbrochenes Linienraster mit Längslinien und Querlinien. Die Längslinien sind mit dem Winkel α in Druckrichtung ausgerichtet, während die Querlinien in einem bestimmten Winkel β zu den Längslinien angeordnet sind. Hierin bedeuten zusätzlich:

QL
= Länge der Querlinie
QB
= Breite der Querlinie
QZ
= Zwischenraum zwischen Querlinie und Längslinie
β
= Winkel zwischen Querlinie und Längslinie
6 illustrates an example of a broken line grid with longitudinal lines and cross lines. The longitudinal lines are aligned with the angle α in the printing direction, while the transverse lines are arranged at a certain angle β to the longitudinal lines. Hereby additionally mean:
QL
= Length of the cross line
QB
= Width of the cross line
QZ
= Space between transverse line and longitudinal line
β
= Angle between transverse line and longitudinal line

7 zeigt ebenfalls ein Linienraster mit Längslinien und Querlinien. Die Längslinien sind mit dem Winkel α gegen die Druckrichtung ausgerichtet, während die Querlinien in einem bestimmten Winkel β an die Längslinien anschließen und kein Zwischenraum QZ zwischen Querlinie und Längslinie vorhanden ist (d. h. QZ = 0). 7 also shows a line grid with longitudinal lines and cross lines. The longitudinal lines are aligned with the angle α against the printing direction, while the transverse lines connect at a certain angle β to the longitudinal lines and there is no gap QZ between the transverse line and the longitudinal line (ie QZ = 0).

Grundsätzlich sind alle Parameter, insbesondere Länge L und Breite B sowie der Reihenversatz V, der Zwischenraum Z sowie die Winkel α und β variabel. Innerhalb eines Druckbildes wiederholen sich diese Rasterstrukturen, sie können jedoch auch innerhalb eines Druckbildes variiert werden, um beispielsweise eine bessere Kantenschärfe am Rand des Druckbildes zu erreichen (beispielsweise in Rand/Mitte-Variationen). Im Extremfall können alle diese Parameter stochastisch angeordnet sein, vergleichbar mit stochastisch frequenzmodulierten Rastern („FM-Raster”) im graphischen Gewerbe. Für die Parameter haben sich die folgenden Bereiche als vorteilhaft erwiesen:

L
= 1 bis 20 mm, bevorzugt 1 bis 15 mm
B, QB
= 0.1 bis 0.5 mm
A1, A2
= 0.5 bis 2 mm
Z
= 0.1 bis 10 mm
V
= (+/–) 0.1 bis 10 mm
QL
= 0.1 bis 4.5 mm
QZ
= 0 bis 2.5 mm
α
= 10° bis 80°, bevorzugt 20° bis 70°
β
= 5° bis 175°, bevorzugt 60° bis 120°.
In principle, all parameters, in particular length L and width B and the row offset V, the gap Z and the angles α and β are variable. Within a printed image, these raster structures are repeated, but they can also be varied within a printed image in order to achieve, for example, better edge sharpness at the edge of the printed image (for example in edge / middle variations). In extreme cases, all these parameters can be arranged stochastically, comparable to stochastic frequency-modulated grids ("FM grid") in the graphics industry. For the parameters, the following ranges have proven to be advantageous:
L
= 1 to 20 mm, preferably 1 to 15 mm
B, QB
= 0.1 to 0.5 mm
A1, A2
= 0.5 to 2 mm
Z
= 0.1 to 10 mm
V
= (+/-) 0.1 to 10 mm
QL
= 0.1 to 4.5 mm
QZ
= 0 to 2.5 mm
α
= 10 ° to 80 °, preferably 20 ° to 70 °
β
= 5 ° to 175 °, preferably 60 ° to 120 °.

In der Regel sind beim erfindungsgemäßen Verfahren dünnere Linienstrukturen den breiteren Strukturen vorzuziehen, da die breiteren Strukturen der Bildung eines selbstverlaufenden, homogenen Filmes entgegenstehen. Die Linienbreiten B (Längslinien) und QB (Querlinien) sollten im Bereich von 0.1 bis 0.5 mm liegen. Weiterhin hat sich herausgestellt, dass bei Linienlängen L der Längslinien im Bereich von 0.1 bis 20 mm, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 15 mm, eine gute Abstützung der Rakel und somit ein gutes Druckergebnis erzielt wird. Für die Linienlängen der Querlinien (QL) haben sich Werte im Bereich von 0.1 mm bis 4.5 mm am besten bewährt. (Minimalwert für QL: Breite einer Längslinie (B); Maximalwert für QL: Summe aus den Werten B + A1 + A2). Zu lange Linienstrukturen haben sich als ungünstig erwiesen. Sie bewirken eine Transportbewegung der Tinte in Druckrichtung aufgrund der Adhäsion der Tinte an der Rakel.In the rule are in the process of the invention to prefer thinner line structures to wider structures, because the broader structures of the formation of a self-leveling, to oppose homogeneous film. The line widths B (longitudinal lines) and QB (cross lines) should be in the range of 0.1 to 0.5 mm. Furthermore, it has been found that at line lengths L of the longitudinal lines in the range of 0.1 to 20 mm, preferably in the range of 1 to 15 mm, a good support of the squeegee and thus a good print result is achieved. For the Line lengths of the cross lines (QL) have values in the range best proven from 0.1 mm to 4.5 mm. (Minimum value for QL: width of a longitudinal line (B); Maximum value for QL: sum of the values B + A1 + A2). Too long line structures have proved unfavorable. They cause a transport movement the ink in the printing direction due to the adhesion of the ink at the squeegee.

Die geeigneten Abmessungen für den Parameter Z (= Zwischenraum zwischen zwei Linien einer Reihe) liegen im Bereich von 0.1 bis 10 mm; geeignete Werte für V (= Reihenversatz zwischen den Linienreihen) liegen im Bereich von 0.1 bis 10 mm. Dabei kann der Reihenversatz V sowohl als Überlappung (d. h. positiv) als auch als Lücke (d. h. negativ) ausgebildet sein.The suitable dimensions for the parameter Z (= gap between two lines of a row) are in the range of 0.1 to 10 mm; suitable values for V (= row offset between the rows of lines) are in the range of 0.1 to 10 mm. It can the row offset V both as an overlap (i.e., positive) as also be designed as a gap (ie negative).

Die unterbrochenen Linienraster sind in Längsrichtung (d. h. bezogen auf die Länge L) in einem Winkel α von 10° bis 80°, bevorzugt in einem Winkel α von 20° bis 70° gegen die Druckrichtung angeordnet. Die optionalen Querlinien QL sind in einem Winkel β gegen die Längslinien L angeordnet, wobei der Winkel β im Bereich von 5° bis 175°, vorzugsweise im Be reich von 60° bis 120° liegt. Längslinien und Querlinien können aber auch in einem Winkel β aufeinandertreffen, wobei ein häkchenförmiges Raster gebildet wird (vgl. 7).The broken line grids are arranged in the longitudinal direction (ie, based on the length L) at an angle α of 10 ° to 80 °, preferably at an angle α of 20 ° to 70 ° to the printing direction. The optional transverse lines QL are arranged at an angle β to the longitudinal lines L, wherein the angle β is in the range of 5 ° to 175 °, preferably in the range of 60 ° to 120 ° Be. However, longitudinal lines and transverse lines can also meet at an angle β, with a hook-shaped grid being formed (cf. 7 ).

Es wurde gefunden, dass durch die erfindungsgemäßen Rasterstrukturen die Transportbewegung der Tinte innerhalb der Druckform bzw. des Druckbildes reduziert und ein gleichmäßiges Druckmotiv erzielt wird. Weitere Vorteile sind die höhere Kantenschärfe des Druckmotivs, die Stabilisierung der Rakel sowie der geringere Verschleiß (z. B. Abrieb, Beschädigung von Stegen etc) des Druckformzylinders.It was found that by the invention Raster structures the transport movement of the ink within the printing form or the printed image is reduced and a uniform Print motif is achieved. Further advantages are the higher ones Edge sharpness of the print motif, the stabilization of the squeegee as well as the lower wear (eg abrasion, damage of webs etc) of the printing plate cylinder.

Die mit den erfindungsgemäßen Druckformen bzw. Druckbildern erzeugten Katalysatorschichten sind zusammenhängend bzw. kontinuierlich. Sie weisen im Allgemeinen eine Trockenschichtdicke im Bereich von 1 bis 20 μm, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 15 μm und besonders bevorzugt im Bereich von 5 bis 10 μm auf. Im Standard-Tiefdruckverfahren werden üblicherweise Raster-Muster oder Punkt-Muster, jedoch keine zusammenhängenden Flächen erzeugt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können dagegen Katalysatorschichten mit einer zusammenhängenden, kontinuierlichen Struktur hergestellt werden. Im resultierenden Druckmotiv ist nur noch eine zu vernachlässigende Oberflächenstruktur zu erkennen; die Katalysatorschichten weisen eine geringe Oberflächenrauhigkeit auf.The catalyst layers produced with the printing forms or printed images according to the invention are continuous or continuous. They generally have a dry film thickness in the range of 1 to 20 microns, preferably in the range of 2 to 15 microns and more preferably in the range of 5 to 10 microns. Standard gravure printing typically produces raster patterns or dot patterns but no contiguous areas. By contrast, catalyst layers having a coherent, continuous structure can be produced by the process according to the invention. In the resulting Print motif is to recognize only a negligible surface structure; the catalyst layers have a low surface roughness.

Die Herstellung von Druckformen, Druckformzylindern, Druckbildern und Rasterstrukturen ist dem Fachmann auf dem Gebiet der Tiefdrucktechnik bekannt. Die für das erfindungsgemäße Verfahren benötigten Druckbilder mit unterbrochenen Linienrastern werden auf einem Druckformzylinder (bzw. Sleeve-Zylinder) belichtet und anschließend auf die gewünschte Ätztiefe im Bereich von 50 bis 250 μm, vorzugsweise im Bereich von 100 bis 200 μm, ausgeätzt. Durchmesser und Umfang der Druckform- bzw. Sleeve-Zylinder sind vom Typ der Tiefdruckmaschine abhängig und können in weiten Grenzen variiert werden. Der fertige Druckformen-Sleeve wird für den Druckprozess auf den Sleeve-Zylinder aufgezogen, sodass die für den Druckprozess notwendige Formstabilität gegeben ist.The Production of printing forms, printing cylinders, printed images and Raster structures is the expert in the field of gravure printing known. The for the inventive Method required printed images with broken line grids are exposed on a plate cylinder (or sleeve sleeve) and then to the desired etch depth in the range of 50 to 250 microns, preferably in the range of 100 to 200 μm, etched out. Diameter and circumference the printing form or sleeve cylinder are of the type of gravure printing machine dependent and can be varied within wide limits become. The finished printing sleeve is used for the printing process mounted on the sleeve sleeve, so that for the Printing process necessary dimensional stability is given.

Grundsätzlich können für das erfindungsgemäße Verfahren beliebige Katalysatorpasten bzw. Katalysatortinten mit den unterschiedlichsten Zusammensetzungen verwendet werden. Die für das Verfahren geeigneten Katalysatortinten enthalten prinzipiell mindestens ein Katalysatormaterial, mindestens ein Ionomermaterial sowie mindestens ein Lösungsmittel. Als Katalysatormaterialien können alle auf dem Gebiet der Brennstoffzellen bekannten Katalysatoren, insbesondere Elektrokatalysatoren eingesetzt werden. Im Falle von geträgerten Elektrokatalysatoren wird als Träger meist ein feinteiliger, elektrisch leitfähiges Material verwendet, wobei bevorzugt Ruße oder Graphite aber auch leitfähige Oxide eingesetzt werden können. Als katalytisch aktive Komponente dienen die Edelmetalle, bevorzugt die Elemente der Platingruppe des Periodensystems (Pt, Pd, Ru, Rh, Os, Ir) oder Legierungen davon. Die katalytisch aktiven Metalle können weitere Legierungszusätze wie beispielsweise Kobalt (Co), Chrom (Cr), Wolfram (W) oder Molybdän (Mo) enthalten. In der Regel verwendet man Trägerkatalysatoren (z. B. 40 Gew.-% Pt/C), bei denen die katalytisch aktiven Platingruppenmetalle in hochdisperser Form auf die Oberfläche eines leitfähigen Ruß-Trägers aufgebracht sind. Für die Herstellung der Elektrodenschichten können aber auch trägerfreie Katalysatoren wie beispielsweise Platin-Mohre oder Platin-Pulver mit hoher Oberfläche eingesetzt werden.in principle can for the inventive Process any catalyst pastes or catalyst inks with be used in a variety of compositions. The containing suitable for the process catalyst inks in principle at least one catalyst material, at least one ionomer material and at least one solvent. As catalyst materials can all known in the field of fuel cells Catalysts, in particular electrocatalysts are used. In the case of supported electrocatalysts is called Carrier usually a finely divided, electrically conductive Material used, with preference carbon blacks or graphites but also conductive oxides can be used. The catalytically active component used are the noble metals, preferably the elements of the platinum group of the periodic table (Pt, Pd, Ru, Rh, Os, Ir) or alloys thereof. The catalytically active metals can add other alloying additives such as Cobalt (Co), chromium (Cr), tungsten (W) or molybdenum (Mo) contain. As a rule, supported catalysts are used (eg 40 wt.% Pt / C) in which the catalytically active platinum group metals in highly dispersed form on the surface of a conductive Soot carrier are applied. For the Production of the electrode layers can also be carrier-free Catalysts such as platinum-black or platinum powder be used with a high surface.

Als Ionomermaterial werden in der Regel protonenleitende Polymermaterialien eingesetzt. Bevorzugt wird ein Tetrafluorethylen-Fluorvinylether-Copolymer mit Säurefunktionen, insbesondere mit Sulfonsäuregruppen, verwendet. Solche Materialien werden zum Beispiel unter den Handelsnamen Nafion® (Du Pont) oder Flemion® (Asahi Glass Co.) vertrieben. Viele fluorhaltigen Ionomermaterialien sind in Form von Lösungen bzw. Dispersionen in unterschiedlichen Konzentrationen erhältlich. Darüber hinaus werden auch Ionomere mit unterschiedlichen Äquivalentgewichten (EW) von verschiedenen Herstellern angeboten.The ionomer material used is generally proton-conducting polymer materials. Preference is given to using a tetrafluoroethylene-fluorovinyl ether copolymer having acid functions, in particular having sulfonic acid groups. Such materials are sold, for example under the trade names Nafion ® (Du Pont) or Flemion ® (Asahi Glass Co.). Many fluorine-containing ionomer materials are available in the form of solutions or dispersions in different concentrations. In addition, ionomers with different equivalent weights (EW) are also available from different manufacturers.

Zur Erzielung einer homogenen Schicht mit einer gleichmäßigen Schichtstruktur soll ein gutes Verlaufen bzw „Spreiten” der einzelnen Tintendeposits nach dem Auftrag erreicht werden. Für das erfindungsgemäße Tiefdruckverfahren sind daher Katalysatortinten mit angepassten rheologischen Eigenschaften (d. h. angepasster Viskosität) zu verwenden. Vorteilhafterweise sollte die Viskosität der Tinten nicht zu hoch sein, so dass nach dem Auftrag ein gewisses Verlaufen auf dem Substratmaterial möglich ist. Der Feststoffgehalt der Katalysatortinte sollte aber auch nicht zu niedrig liegen, damit die geforderte Trockenschichtdicke erreicht werden kann.to Achieving a homogeneous layer with a uniform Layer structure should be a good flow or "spreading" of individual ink deposits can be achieved after the order. For the gravure printing method according to the invention are therefore Catalyst inks with adapted rheological properties (i.e. H. adapted viscosity). advantageously, should the viscosity of the inks not be too high, so that after application some bleeding on the substrate material is possible. The solids content of the catalyst ink should but not too low, so that the required dry film thickness can be achieved.

Geeignete Katalysatortinten bzw. Katalysatordispersionen besitzen eine Viskosität im Bereich von 50 bis 1000 mPas, vorzugsweise im Bereich von 50 bis 900 mPas und besonders bevorzugt im Bereich von 150 bis 400 mPas (bei einer Scherrate von D = 1000 s–1, gemessen mit einem Platte/Kegel-Viskosimeter). Für die Messungen zur vorliegenden Anmeldung wurde ein Platte/Kegel-Viskosimeter Typ MCR 300 der Fa. Physica (Fa. Anton Paar GmbH, D-73760 Ostfildern) verwendet. Es sind jedoch auch Geräte anderer Hersteller einsetzbar.Suitable catalyst inks or catalyst dispersions have a viscosity in the range of 50 to 1000 mPas, preferably in the range of 50 to 900 mPas and particularly preferably in the range of 150 to 400 mPas (at a shear rate of D = 1000 s -1 , measured with a plate / cone viscometer). For the measurements for the present application, a plate / cone viscometer type MCR 300 from Physica (Anton Paar GmbH, D-73760 Ostfildern) was used. However, devices from other manufacturers can also be used.

Geeignete Tinten weisen einen Feststoffanteil (d. h. die Summe von Katalysatoranteil und Ionomeranteil) von 3 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-% und besonders bevorzugt einen Feststoffanteil von 7 bis 16 Gew.-% auf (jeweils gemessen durch den Trocknungsverlust bezogen auf die Gesamteinwaage Tinte). Der Trocknungsverlust wird bei einer Trocknung im Umluft-Trockenschrank bei 120°C für 60 Minuten bestimmt.suitable Inks have a solids content (i.e., the sum of catalyst content and ionomer content) of 3 to 20% by weight, preferably 5 to 20% by weight. and particularly preferably a solids content of 7 to 16% by weight (measured in each case by the loss of drying relative to the Total weight of ink). The loss of drying occurs during drying in a convection oven at 120 ° C for 60 minutes certainly.

Als Lösungsmittel können grundsätzlich alle organischen Lösungsmittel verwendet werden, die für Katalysatortinten geeignet sind, die in Beschichtungsverfahren, insbesondere Druckverfahren verarbeitet werden. Wasserhaltige Katalysatortinten sind aus Umweltgesichtspunkten und hinsichtlich des Arbeitsschutzes bevorzugt.When Solvents can basically all organic solvents are used for Catalyst inks that are useful in coating processes, in particular printing processes are processed. Hydrous catalyst inks are preferred from an environmental point of view and with regard to occupational safety.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Tiefdruckverfahren zur Erzeugung von kontinuierlichen, zusammenhängenden Katalysatorschichten auf den verschiedensten Substratmaterialien bereit. Die für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaften Druckparameter wie Produktionsgeschwindigkeit, Rakelanstellwinkel, Rakelanpressdruck, Presseurdruck sowie Presseurhärte sind nachfolgend angegeben.The present invention provides a gravure printing process for the production of continuous, zusam Menhängenden catalyst layers on a variety of substrate materials ready. The printing parameters which are advantageous for the method according to the invention, such as production speed, doctor blade setting angle, doctor blade contact pressure, impression press pressure and press hardness, are indicated below.

Der Gegendruckzylinder (Presseur) wird mit einem Druck von 2 bis 10 bar, vorzugsweise 3 bis 6 bar auf den Druckformzylinder gepresst. Die Presseurhärte liegt üblicherweise im Bereich von 50 bis 100 Shore. In der Regel wird mit einem Rakelanpressdruck von 1 bis 2 bar gearbeitet. Die Bahngeschwindigkeit (bzw. Druckgeschwindigkeit) liegt im Bereich von 0.02 bis 3 m/s, vorzugsweise im Bereich von 0.1 bis 1 m/s. Als Material für das Rakel bzw. Rakelmesser wird in der Regel Edelstahl oder Kunststoff verwendet. Der Rakelanstellwinkel liegt im Bereich von 50 bis 85°, vorzugsweise im Bereich von 60 bis 83° (gemessen zur Zylindertangente des Druckformzylinders). Solche Rakelwinkel liefern gute Ergebnisse bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Katalysatortinten.Of the Impression cylinder (impression roller) is pressurized from 2 to 10 bar, preferably 3 to 6 bar pressed on the printing form cylinder. The hardness of the press is usually in the range from 50 to 100 shore. As a rule, with a doctor blade pressure worked from 1 to 2 bar. The web speed (or printing speed) is in the range of 0.02 to 3 m / s, preferably in the range of 0.1 to 1 m / s. As material for the doctor blade or doctor blade Usually stainless steel or plastic is used. The squeegee angle is in the range of 50 to 85 °, preferably in the range from 60 to 83 ° (measured to the cylinder tangent of the plate cylinder). Such squeegee angles provide good results when using the Inventive catalyst inks.

In einer besonderen Ausführungsform wird eine Tiefdruckanlage mit einem geschlossenen Einfärbesystem (d. h. Kammerrakel) verwendet. Dadurch werden Verdunstungseffekte aufgrund flüchtiger Lösemittel bei der Drucktinte vermieden.In a particular embodiment is a gravure printing system with a closed inking system (i.e. used. As a result, evaporation effects due to volatile Solvents avoided in the printing ink.

Als Substratmaterialen können prinzipiell alle bandförmige Ionomermembranen (in gestützter sowie ungestützter Form, als Composites, als Verbundmembranen oder als Mehrschichtmembranen), behandelte oder unbehandelte Kunststoff-Folien (Polyester, PET, Polyamide, Polyimide, etc), Abziehbildsubstrate („Decal-Substrate”), beschichtete und/oder behandelte Papiere, Verbundfolien, aber auch Kohlefasersubstrate (wie beispielsweise Kohlefaservliese, Kohlefasergewebe oder Kohlefaserpapiere) eingesetzt werden. Geeignete Substratmaterialien sollten eine niedrige Oberflächenrauhigkeit sowie eine geringe thermische Ausdehnung besitzen, um einen stabilen Bahnlauf beim Druck und bei der nachfolgenden Trocknung zu gewährleisten.When Substrate materials can in principle all band-shaped Ionomermembranen (in supported as well as unsupported Shape, as composites, as composite membranes or as multilayer membranes), treated or untreated plastic films (polyester, PET, Polyamides, polyimides, etc), decal substrates, coated and / or treated papers, composite films, but also Carbon fiber substrates (such as carbon fiber webs, carbon fiber webs or carbon fiber papers). Suitable substrate materials should have a low surface roughness as well as a have low thermal expansion to a stable web run during printing and subsequent drying.

Die Trocknung nach dem Druck kann im diskontinuierlichen und/oder kontinuierlichen Verfahren erfolgen. Für den diskontinuierlichen Betrieb eignen sich Trocknungsöfen oder Trockenschränke; für den kontinuierlichen Betrieb können z. B. Banddurchlauftrockner verwendet werden, die in die Tiefdruckanlage integriert werden können. Vorzugsweise erfolgt die Trock nung der Substratbahn im in-line Verfahren mit Heißluft- oder IR-Trocknern. Die Temperatur der Trocknung liegt typischerweise zwischen 20 und 150°C, die Trocknungsparameter sind dem jeweiligen Verfahren anzupassen und liegen im Allgemeinen zwischen wenigen Sekunden und mehreren Minuten.The Drying after printing can be done in batch and / or continuous Procedure done. For discontinuous operation Drying ovens or drying cabinets are suitable; for continuous operation z. B. Belt pass dryers are used in the gravure press can be integrated. Preferably, the drying is done drying the substrate web in in-line process with hot air or IR dryers. The temperature of the drying is typically between 20 and 150 ° C, the drying parameters are the respective method and generally lie between a few seconds and seconds several minutes.

Wie bereits ausgeführt, sind die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Katalysatorschichten zusammenhängend bzw. kontinuierlich. Sie sind in der Regel lichtdicht, d. h. sie weisen eine geringe Lichtdurchlässigkeit in der Durchlichtbetrachtung auf. Als Maß für die Homogenität und die kontinuierliche Struktur der aufgebrachten Katalysatorschicht wird in der vorliegenden Anmeldung die Oberflächenrauhigkeit verwendet. Die Messung der Oberflächenbeschaffenheit erfolgt im Tastschnittverfahren nach DIN EN ISO 4287 (Oktober 1998) über die Bestimmung des Ra-Wertes (= der arithmetische Mittelwert der Profilordinaten). Hierzu wird die Oberflächenrauhigkeit über eine Messstrecke von 1 mm Länge auf einem glatten Substrat (PET-Folie) bestimmt und jeweils der Ra-Wert ermittelt. Der Mittelwert von drei Messungen wird berechnet und als Wert angegeben. Als Gerät wird ein Taktiloprofilometer (taktiles Rauhigkeitsmessgerät) verwendet. Die Messungen zur vorliegenden Anmeldung wurden mit dem Veeco Dektak 8 (Veeco Instruments Inc; Plainview, NY 11803, USA) durchgeführt. Jedoch sind auch anderer Geräte hierzu verwendbar.As already stated, the catalyst layers produced by the process according to the invention are continuous. They are usually light-tight, ie they have a low light transmittance in the transmitted light observation. As a measure of the homogeneity and the continuous structure of the applied catalyst layer, surface roughness is used in the present application. The measurement of the surface condition is carried out by the stylus method DIN EN ISO 4287 (October 1998) on the determination of the R a value (= the arithmetic mean of the profile coordinates). For this purpose, the surface roughness is determined over a measuring section of 1 mm in length on a smooth substrate (PET film) and the R a value is determined in each case. The mean of three measurements is calculated and given as a value. The device used is a tactile profilometer (tactile roughness meter). The measurements for the present application were made with Veeco Dektak 8 (Veeco Instruments Inc., Plainview, NY 11803, USA). However, other devices are usable for this purpose.

Die hergestellten Katalysatorschichten besitzen weiterhin eine Trockenschichtdicke im Bereich von 1 bis 20 μm, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 15 μm und besonders bevorzugt im Bereich von 5 bis 10 μm. Auch die Bestimmung der Trockenschichtdicke erfolgt mit einem Profilometer (Veeco).The Catalyst layers produced continue to have a dry film thickness in the range of 1 to 20 microns, preferably in the range of 2 to 15 μm, and more preferably in the range of 5 to 10 μm. The determination of the dry film thickness also takes place with a profilometer (Veeco).

Die erfindungsgemäß hergestellten Schichten sind zusammenhängend und kontinuierlich und weisen eine niedrige Oberflächenrauhigkeit auf. Typischerweise liegt der Ra-Wert im Bereich von < 10% der jeweiligen Trockenschichtdicke. Dies bedeutet, dass Katalysatorschichten mit einer Dicke von 1 μm einen Ra-Wert von < 0.1 μm aufweisen, während Katalysatorschichten mit einer Dicke von max. 20 μm einen Ra-Wert im Bereich < 2 μm besitzen. Die in den Beispielen hergestellte Schichten mit einer Dicke von ca. 8 μm weisen dementsprechend Ra-Werte im Bereich < 0.8 μm auf.The layers produced according to the invention are continuous and continuous and have a low surface roughness. Typically, the R a value is in the range of <10% of the respective dry film thickness. This means that catalyst layers having a thickness of 1 .mu.m have an R a value of <0.1 .mu.m, while catalyst layers having a thickness of max. 20 microns have an R a value in the range <2 microns. The layers produced in the examples with a thickness of approximately 8 μm accordingly have R a values in the range of <0.8 μm.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Tiefdruckverfahrens liegt in der Erzielung hoher Druckgeschwindigkeiten (bzw. Bahngeschwindigkeiten), wobei Werte von 0.02 bis 3 m/s, vorzugsweise im Bereich von 0.1 bis 1 m/s erreicht werden. Weiterhin kann das Verfahren kontinuierlich betrieben und der Trocknungsprozess in das Verfahren integriert werden (beispielsweise als Rolle-zu-Rolle-Prozess). Dabei sind Produktionsgeschwindigkeiten von 0.02 bis 3 m/s, vorzugsweise von 0.1 bis 1 m/s erreichbar. Es ist darüber hinaus eine kontinuierliche, automatisierte MEE-Fertigung möglich, bei der weitere Schritte wie beispielsweise Vereinzelung, Zuschneiden und Laminieren der Substrate, enthalten sind.An advantage of the gravure printing method according to the invention is the achievement of high printing speeds (or web speeds), values of 0.02 to 3 m / s, preferably in the range of 0.1 to 1 m / s being achieved. Furthermore, the process can be operated continuously and the drying process in the process is integrated (for example as a roll-to-roll process). In this case, production speeds of 0.02 to 3 m / s, preferably from 0.1 to 1 m / s can be achieved. In addition, a continuous, automated MEE production is possible in which further steps such as, for example, singulation, cutting and lamination of the substrates are included.

Mit den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Katalysatorschichten wurden Membran-Elektroden-Einheiten hergestellt und in PEM-Brennstoffzellen getestet. Die elektrischen Leistungswerte der erfindungsgemäß hergestellten MEEs sind mit den Werten vergleichbar, die mit MEEs erzielt werden, die im konventionellen Herstellverfahren gefertigt werden.With produced by the process according to the invention Catalyst layers were prepared membrane-electrode assemblies and tested in PEM fuel cells. The electrical performance of the MEU produced according to the invention are with the Comparable to those obtained with MEEs in the conventional Manufacturing process to be manufactured.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll in den nachfolgenden Beispielen näher beschrieben werden.The inventive method is intended in the following Examples are described in more detail.

BeispieleExamples

Allgemeine VorbemerkungenGeneral preliminary remarks

Die Versuche erfolgen auf einer selbstentwickelten Labortiefdruckanlage bei Raumtemperatur und einer rel. Luftfeuchtigkeit von 30–50% rel. Feuchte. Im Falle der hier durchgeführten Versuche hat der hergestellte Sleeve-Zylinder einen Durchmesser von 220 mm und damit einen Umfang von 691.2 mm. Der fertige Druckformen-Sleeve wird für den Druckprozess unter Zuhilfenahme von Druckluft auf den Sleeve-Zylinder aufgezogen. Es werden Druckbilder (Rastersegmente) mit einer geometrischen Größe von 3 × 3 cm2 sowie 3 × 5 cm2 eingesetzt. Die verwendeten Druckformen wurden bei der Sächsischen Walzengravur GmbH (SWG, D-09669 Frankenberg) hergestellt. Die Bahnbreite beträgt 35 mm. Der Tiefdruck erfolgt mit einer Kammerrakel, wobei ein Anstellwinkel von 60° zur Zylindertangente verwendet wird. Die Drucktintenzufuhr wird über einen Drucktopf mit einem Behälterdruck von 1.0 bar vorgenommen.The experiments are carried out on a self-developed laboratory gravure press at room temperature and a rel. Humidity of 30-50% rel. Humidity. In the case of the tests carried out here, the sleeve cylinder produced has a diameter of 220 mm and thus a circumference of 691.2 mm. The finished printing sleeve is mounted on the sleeve cylinder for the printing process with the help of compressed air. Printed images (raster segments) with a geometric size of 3 × 3 cm 2 and 3 × 5 cm 2 are used. The printing plates used were produced by the Sächsische Walzengravur GmbH (SWG, D-09669 Frankenberg). The web width is 35 mm. The gravure printing is done with a chamber doctor blade, with an angle of attack of 60 ° to Zylindertangente is used. The ink supply is made via a pressure pot with a container pressure of 1.0 bar.

Beispiel 1example 1

Herstellung von Pt-Katalysatorschichten auf einem DecalsubstratProduction of Pt catalyst layers on a decal substrate

Eine Pt-haltige Katalysatortinte „DS4/Typ31” (enthaltend einen rußgeträgerten Pt-Katalysator des Typs 20 Gew.-%. Pt/C, sowie Ionomer und organische Lösungsmittel) wird auf der Labor-Tiefdruckmaschine bei einer Temperatur von 21°C und rel. Luftfeuchtigkeit von 30% verarbeitet.A Pt-containing catalyst ink "DS4 / type 31" (containing a soot-supported type 20 Pt catalyst Wt .-%. Pt / C, as well as ionomer and organic solvents) is applied on the laboratory gravure press at a temperature of 21 ° C and rel. Humidity of 30% processed.

Die Viskosität der Tinte beträgt 350 mPas @ D = 1000 s–1 (gemessen mit Physica MCR 300). Der Feststoffgehalt beträgt 13 Gew.-%. Versuchsparameter: Substrat: Decalfolie (Polyesterfolie, 80 μm Dicke) Bahngeschwindigkeit: 0.125 m/s Ätztiefe Druckform: 180 μm Rasterstruktur: langes Linienraster Winkel α = 45° A1 = 0.5 mm A2 = 2 × A1 = 1.0 mm B = 0.3 mm L = 12 mm Z = 8 mm V1 = 5 mm V2 = –0.5 mm (negativer Versatz) Trocknung: 40 s bei 100°C (Durchlauftrockner) Aktive Fläche: ca. 10 cm2 (nach Druck) Trockenschichtdicke: 8 μm Rauhigkeit: zusammenhängende, lichtdichte Schicht Ra = 0.66 μm (PET-Substrat, Mittelwert) (Veeco Dektak 8) Aktive Fläche: ca. 10 cm2 (nach Druck) The viscosity of the ink is 350 mPas @ D = 1000 s -1 (measured with Physica MCR 300). The solids content is 13 wt .-%. Test Parameters: substrate: Decal film (polyester film, 80 μm thickness) Web speed: 0.125 m / s Etching depth printing form: 180 μm Grid structure: long line grid Angle α = 45 ° A1 = 0.5 mm A2 = 2 × A1 = 1.0 mm B = 0.3 mm L = 12 mm Z = 8 mm V1 = 5 mm V2 = -0.5 mm (negative offset) drying: 40 s at 100 ° C (continuous dryer) Active area: about 10 cm 2 (after pressure) Dry film thickness: 8 μm roughness: continuous, light-tight layer R a = 0.66 μm (PET substrate, mean value) (Veeco Dektak 8) Active area: about 10 cm 2 (after pressure)

Elektrochemischer Test:Electrochemical test:

Zwei auf die Decalfolie gedruckte Druckmotive (aktive Fläche 10 cm2) werden auf die Vorder- und Rückseite einer Ionomermembran (Typ Nafion® 112, Dicke 50 μm, H+-Form) umlaminiert. Die katalysatorbeschichtete Membran wird mit passenden GDLs („gas diffusion layers”) zu einer 5-lagigen Membran-Elektrodeneinheit (MEE) verarbeitet und in einer PEM-Brennstoffzelle (Einzelzelle) im Wasserstoff/Luft-Betrieb (Druck 1 bar abs) vermessen. Die elektrochemische Leistung dieser MEE ist mit der Leistung einer im Standard-Druckverfahren hergestellten MEE vergleichbar.Two to Decalfolie printed printing motifs (active area 10 cm 2) on the front and back side of an ionomer membrane (type Nafion ® 112, thickness 50 micron, H + form) translaminated. The catalyst-coated membrane is processed with suitable GDLs ("gas diffusion layers") to a 5-layer membrane electrode assembly (MEU) and measured in a PEM fuel cell (single cell) in the hydrogen / air mode (pressure 1 bar abs). The electrochemical performance of this MEE is comparable to the performance of a MEE made in the standard printing process.

Beispiel 2Example 2

Herstellung von Pt-Katalysatorschichten im TiefdruckverfahrenProduction of Pt catalyst layers in gravure printing

Die Katalysatortinte „DS4/Typ31” wird wie in Beispiel 1 beschrieben auf der Labor-Tiefdruckmaschine verarbeitet. Als Druckform wird ein kurzes Linienraster verwendet. Die geometrischen Abmessungen sind nachfolgend angegeben. Rasterstruktur: kurzes Linienraster Winkel α = 25° A1 = A2 = 0.4 mm B = 0.3 mm L = 1.5 mm Z = 0.5 mm V = 0.4 mm The catalyst ink "DS4 / type 31" is processed as described in Example 1 on the laboratory gravure printing machine. The printing form used is a short line grid. The geometric dimensions are given below. Grid structure: short line grid Angle α = 25 ° A1 = A2 = 0.4 mm B = 0.3 mm L = 1.5 mm Z = 0.5 mm V = 0.4 mm

Als Decal-Substrat kommt eine 125 μm dicke Polyesterfolie (PET) zum Einsatz. Nach der Trocknung im Durchlauftrockner erhält man zusammenhängende, lichtdichte Katalysatorschichten, die eine Trockenschichtdicke von 7–8 μm aufweisen. Die Rauhigkeit Ra beträgt ca. 0.6 μm.The decal substrate used is a 125 μm thick polyester film (PET). After drying in a continuous dryer, coherent, light-tight catalyst layers are obtained which have a dry film thickness of 7-8 μm. The roughness R a is about 0.6 μm.

Vergleichsbeispiel 1 (VB1)Comparative Example 1 (VB1)

Herstellung von Schichten auf einem Decalsubstrat im Tiefdruckverfahren (Kreuzraster)Production of layers on a decal substrate in the gravure printing process (cross grid)

Eine Modell-Tinte des Typs HWD 06 wird auf der Labortiefdruckmaschine bei einer Raumtemperatur von 21°C und einer rel. Luftfeuchtigkeit von 30% verarbeitet. Als Substrat wird eine Decalfolie (Polyesterfolie, 80 μm Dicke) verwendet. Die Viskosität der Tinte beträgt 250 mPas @ 1000 s–1 (gemessen mit Physica MCR 300). Der Feststoffgehalt liegt bei 14 Gew.-%. Versuchsparameter: Druckgeschwindigkeit: 0.4 m/s Druckform: Näpfchentiefe 53 μm Schöpfvolumen: 17 ml/m2 Rasterstruktur: Druckform DF 1, vierspuriges Kreuzraster Rasterweite 54 L/cm Schichtdicke: ca. 0.7 μm (nicht homogen) A model ink of the type HWD 06 is on the laboratory gravure printing machine at a room temperature of 21 ° C and a rel. Humidity of 30% processed. The substrate used is a decal film (polyester film, 80 μm thick). The viscosity of the ink is 250 mPas @ 1000 s -1 (measured with Physica MCR 300). The solids content is 14 wt .-%. Test Parameters: Print speed: 0.4 m / s Printing form: Well depth 53 μm Cell Volume: 17 ml / m 2 Grid structure: Printing form DF 1, four-lane cross grid Grid width 54 L / cm Layer thickness: approx. 0.7 μm (not homogeneous)

Nach der Trocknung im Durchlauftrockner erhält man keine zusammenhängenden, lichtdichten Katalysatorschichten. Die Schicht ist lichtdurchlässig, wobei die einzelnen Rasterpunkte als Muster erkennbar sind.To Drying in a continuous dryer does not give coherent, light-tight catalyst layers. The layer is translucent, wherein the individual grid points are recognizable as a pattern.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list The documents listed by the applicant have been automated generated and is solely for better information recorded by the reader. The list is not part of the German Patent or utility model application. The DPMA takes over no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 19548422 [0017] - DE 19548422 [0017]
  • - EP 1037295 B2 [0017] - EP 1037295 B2 [0017]
  • - US 6967038 B2 [0018] - US 6967038 B2 [0018]
  • - US 7316794 [0018] US7316794 [0018]
  • - US 6280879 [0020] - US 6280879 [0020]
  • - US 2004/0221755 A1 [0021] US 2004/0221755 A1 [0021]
  • - WO 03/054991 A1 [0022] WO 03/054991 A1 [0022]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - Helmut Kipphan (Hrsg.), Handbuch der Printmedien – Technologien und Produktionsverfahren, Springer-Verlag, Berlin (2000) [0010] - Helmut Kipphan (ed.), Handbuch der Printmedien - Technologie und Produktionsverfahren, Springer-Verlag, Berlin (2000) [0010]
  • - DIN 16528 [0011] - DIN 16528 [0011]
  • - DIN EN ISO 4287 (Oktober 1998) [0056] - DIN EN ISO 4287 (October 1998) [0056]

Claims (17)

Tiefdruckverfahren zur Erzeugung von Katalysatorschichten auf Substratmaterialien mit einer katalysatorhaltigen Tinte, wobei eine Druckform eingesetzt wird, die mindestens ein Druckbild mit einem unterbrochenen Linienraster aufweist, dessen Längslinien in einem Winkel α von 10° bis 80°, vorzugsweise in einem Winkel α von 20° bis 70° gegen die Druckrichtung angeordnet sind.Gravure printing process for the production of catalyst layers on substrate materials with a catalyst-containing ink, wherein a printing form is used, the at least one printed image with a broken line grid whose longitudinal lines at an angle α of 10 ° to 80 °, preferably at an angle α of 20 ° to 70 ° against the printing direction are arranged. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Druckbild ein Schöpfvolumen im Bereich von 100 bis 300 ml/m2, vorzugsweise im Bereich von 150 bis 250 ml/m2 aufweist.The method of claim 1, wherein the printed image has a scoop volume in the range of 100 to 300 ml / m 2 , preferably in the range of 150 to 250 ml / m 2 . Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Druckbild Ätztiefen im Bereich von 100 bis 250 μm, vorzugsweise im Bereich von 120 bis 200 μm aufweist.The method of claim 1 or 2, wherein the printed image etching depths in the range of 100 to 250 μm, preferably in the range from 120 to 200 microns. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erzeugten Katalysatorschichten eine Trockenschichtdicke im Bereich von 1 bis 20 μm, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 15 μm besitzen.Method according to one of claims 1 to 3, wherein the generated catalyst layers have a dry film thickness in the range of 1 to 20 microns, preferably in the range of 2 to 15 microns own. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Längslinien des Linienrasters Linienlängen L im Bereich von 0.1 bis 20 mm und Linienbreiten B im Bereich von 0.1 bis 0.5 mm aufweisen.Method according to one of claims 1 to 4, wherein the longitudinal lines of the line grid line lengths L in the range of 0.1 to 20 mm and line widths B in the range of 0.1 to 0.5 mm. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das unterbrochene Linienraster mindestens einen Zwischenraum Z zwischen zwei Linien einer Reihe besitzt, dessen Abmessungen im Bereich von 0.1 bis 20 mm liegen.Method according to one of claims 1 to 5, wherein the broken line grid at least one space Z has between two lines of a row whose dimensions in Range from 0.1 to 20 mm. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Druckbild ein Linienraster mit zusätzlichen Querlinien besitzt, wobei die Querlinien Linienlängen (QL) im Bereich von 0.1 mm bis 4.5 mm aufweisen und die mit einem Winkel β im Bereich von 5° bis 175° gegen die Längslinien angeordnet sind.Method according to one of claims 1 to 6, where the print image is a line grid with additional cross lines has, where the cross lines line lengths (QL) in the range from 0.1 mm to 4.5 mm and those with an angle β im Range from 5 ° to 175 ° to the longitudinal lines are arranged. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die hergestellten Katalysatorschichten eine niedrige Oberflächenrauhigkeit besitzen und der Ra-Wert < 10% der jeweiligen Trockenschichtdicke beträgt.A method according to any one of claims 1 to 7, wherein the prepared catalyst layers have a low surface roughness and the R a value is <10% of the respective dry layer thickness. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei als Substratmaterialien Ionomermembranen (in gestützter oder ungestützter Form), Compositmembranen, Verbundmembranen, Mehrschichtmembranen, behandelte oder unbehandelte Kunststoff-Folien (wie beispielsweise Polyester, Polyamide oder Polyimide), Abziehbildsubstrate, Decal-Substrate, beschichtete oder behandelte Papiere, Verbundfolien sowie Kohlefasersubstrate (wie beispielsweise Kohlefaservliese, Kohlefasergewebe oder Kohlefaserpapiere) eingesetzt werden.Method according to one of claims 1 to 8, wherein as substrate materials ionomer membranes (in supported or unsupported form), composite membranes, composite membranes, Multi-layer membranes, treated or untreated plastic films (such as polyesters, polyamides or polyimides), decal substrates, Decal substrates, coated or treated papers, composite films and carbon fiber substrates (such as carbon fiber nonwovens, Carbon fiber fabric or carbon fiber papers) can be used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die katalysatorhaltige Tinte mindestens einen Elektrokatalysator, mindestens ein Ionomer sowie mindestens ein Lösungsmittel enthält.Method according to one of claims 1 to 8, wherein the catalyst-containing ink comprises at least one electrocatalyst, at least one ionomer and at least one solvent contains. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die katalysatorhaltige Tinte einen Feststoffanteil im Bereich von 3 bis 20 Gew.-% besitzt (gemessen als Trocknungsverlust bei 120°C/60 Minuten).Method according to one of claims 1 to 9, wherein the catalyst-containing ink has a solids content in the range from 3 to 20% by weight (measured as loss on drying at 120 ° C / 60 minutes). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die katalysatorhaltige Tinte eine Viskosität im Bereich von 50 bis 1.000 mPas, vorzugsweise im Bereich von 150 bis 400 mPas (gemessen mit einem Platte/Kegel-System) aufweist.Method according to one of claims 1 to 10, wherein the catalyst-containing ink has a viscosity in the range of 50 to 1,000 mPas, preferably in the range of 150 up to 400 mPas (measured with a plate / cone system). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Tintenzufuhr über eine Kammerrakel erfolgt.Method according to one of claims 1 to 12, wherein the ink supply takes place via a chamber doctor blade. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es kontinuierlich, vorzugsweise in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren erfolgt.Method according to one of claims 1 to 13, characterized in that it is continuous, preferably in a roll-to-roll process. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Druckgeschwindigkeit im Bereich von 0.02 bis 3 m/s liegt.Method according to one of claims 1 to 14, wherein the printing speed in the range of 0.02 to 3 m / s lies. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zur Herstellung von Elektroden und Membran-Elektroden-Einheiten für Brennstoffzellen.Use of the method according to one of the claims 1 to 15 for the production of electrodes and membrane-electrode assemblies for fuel cells. Tiefdruckform zur Herstellung von Katalysatorschichten auf Substratmaterialien, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein Druckbild mit einem unterbrochenen Linienraster aufweist, dessen Längslinien in einem Winkel α von 10° bis 80°, vorzugsweise in einem Winkel α von 20° bis 70° gegen die Druckrichtung angeordnet sind.Thermoforming mold for the production of catalyst layers on substrate materials, characterized in that it comprises at least one printed image with a broken line grid, whose Längsli nien at an angle α of 10 ° to 80 °, preferably at an angle α of 20 ° to 70 ° are arranged against the printing direction.
DE102009023160A 2009-05-29 2009-05-29 Gravure printing method for producing catalyst layers on e.g. ionomer membranes, involves utilizing printing plate that exhibits print image with interrupted line grid pattern whose longitudinal lines are arranged against pressure direction Ceased DE102009023160A1 (en)

Priority Applications (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009023160A DE102009023160A1 (en) 2009-05-29 2009-05-29 Gravure printing method for producing catalyst layers on e.g. ionomer membranes, involves utilizing printing plate that exhibits print image with interrupted line grid pattern whose longitudinal lines are arranged against pressure direction
PCT/EP2010/003226 WO2010136204A1 (en) 2009-05-29 2010-05-27 Method for producing catalyst layers for fuel cells
JP2012512257A JP2012528425A (en) 2009-05-29 2010-05-27 Method for producing a catalyst layer for a fuel cell
CA2763412A CA2763412C (en) 2009-05-29 2010-05-27 Method for producing catalyst layers for fuel cells
US13/322,472 US20120125211A1 (en) 2009-05-29 2010-05-27 Method for producing catalyst layers for fuel cells
TW099117015A TW201110450A (en) 2009-05-29 2010-05-27 Method for producing catalyst layers for fuel cells
CN201080023466.3A CN102449826B (en) 2009-05-29 2010-05-27 Method for producing catalyst layers for fuel cells
EP10725017.7A EP2436071B1 (en) 2009-05-29 2010-05-27 Method for producing catalyst layers for fuel cells

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009023160A DE102009023160A1 (en) 2009-05-29 2009-05-29 Gravure printing method for producing catalyst layers on e.g. ionomer membranes, involves utilizing printing plate that exhibits print image with interrupted line grid pattern whose longitudinal lines are arranged against pressure direction

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102009023160A1 true DE102009023160A1 (en) 2010-12-02

Family

ID=43028466

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102009023160A Ceased DE102009023160A1 (en) 2009-05-29 2009-05-29 Gravure printing method for producing catalyst layers on e.g. ionomer membranes, involves utilizing printing plate that exhibits print image with interrupted line grid pattern whose longitudinal lines are arranged against pressure direction

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102009023160A1 (en)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5656081A (en) * 1995-06-07 1997-08-12 Img Group Limited Press for printing an electrical circuit component directly onto a substrate using an electrically-conductive liquid
DE19548422A1 (en) 1995-12-22 1997-09-11 Hoechst Ag Composites and their continuous production
US6280879B1 (en) 1996-01-25 2001-08-28 Danionics A/S Electrode/current collector, laminates for an electrochemical device
WO2003054991A1 (en) 2001-12-19 2003-07-03 Polyfuel, Inc. Printing of catalyst on the membrane of fuel cells
DE10315458A1 (en) * 2003-04-04 2004-10-21 Metafol Metall-Kunststoff Gmbh & Co.Kg Process for the production of adhesive process or protective foils and their use for the temporary fixing and covering as well as for the transport of work pieces
US20040221755A1 (en) 2003-04-17 2004-11-11 Murata Manufacturing Co., Ltd. Photogravure press and method for manufacturing multilayer-ceramic electronic component
US6967038B2 (en) 2000-10-27 2005-11-22 E.I. Du Pont Demours And Company Production of catalyst coated membranes
EP1037295B2 (en) 1999-03-11 2005-12-14 Umicore AG & Co. KG Method for applying electrode layers on a tape-like polymer electrolyte membrane for fuel cells
US7316794B2 (en) 2001-10-24 2008-01-08 E.I. Du Pont De Nemours And Company Continuous production of catalyst coated membranes

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5656081A (en) * 1995-06-07 1997-08-12 Img Group Limited Press for printing an electrical circuit component directly onto a substrate using an electrically-conductive liquid
DE19548422A1 (en) 1995-12-22 1997-09-11 Hoechst Ag Composites and their continuous production
US6280879B1 (en) 1996-01-25 2001-08-28 Danionics A/S Electrode/current collector, laminates for an electrochemical device
EP1037295B2 (en) 1999-03-11 2005-12-14 Umicore AG & Co. KG Method for applying electrode layers on a tape-like polymer electrolyte membrane for fuel cells
US6967038B2 (en) 2000-10-27 2005-11-22 E.I. Du Pont Demours And Company Production of catalyst coated membranes
US7316794B2 (en) 2001-10-24 2008-01-08 E.I. Du Pont De Nemours And Company Continuous production of catalyst coated membranes
WO2003054991A1 (en) 2001-12-19 2003-07-03 Polyfuel, Inc. Printing of catalyst on the membrane of fuel cells
DE10315458A1 (en) * 2003-04-04 2004-10-21 Metafol Metall-Kunststoff Gmbh & Co.Kg Process for the production of adhesive process or protective foils and their use for the temporary fixing and covering as well as for the transport of work pieces
US20040221755A1 (en) 2003-04-17 2004-11-11 Murata Manufacturing Co., Ltd. Photogravure press and method for manufacturing multilayer-ceramic electronic component

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DIN 16528
DIN EN ISO 4287 (Oktober 1998)
Helmut Kipphan (Hrsg.), Handbuch der Printmedien - Technologien und Produktionsverfahren, Springer-Verlag, Berlin (2000)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19812592B4 (en) Membrane electrode unit for polymer electrolyte fuel cells, process for their production and ink
EP0797265B1 (en) Gas diffusion electrode for membrane fuel cells and method of making same
EP1198021B1 (en) Method for manufacturing a membrane electrode unit for fuel cells
EP1176653B1 (en) Membrane electrode unit for polymer electrolyte fuel cells and method of producing the same
DE60205090T2 (en) Process for the preparation of membrane-electrode assemblies using catalyst coated membranes and adhesives
DE10159476A1 (en) Process for the manufacture of membrane electrode assemblies for fuel cells
DE112006002453T5 (en) Catalyst layers for improving the uniformity of current density in membrane electrode assemblies
DE102014102418B4 (en) Improved manufacturability of ePTFE laminated membranes
DE112015001388B4 (en) Method of making a catalyst coated membrane sealing assembly
DE602004011066T2 (en) PROCESS FOR PREPARING A CATALYST-COATED POLYMER ELECTROLYT MEMBRANE
DE10037074A1 (en) Ink for the production of membrane electrode assemblies for PEM fuel cells
DE102013207900A1 (en) Membrane electrode unit and fuel cell with such
DE112004001842T5 (en) Method of making membrane electrode assemblies
DE102007013416B4 (en) A membrane electrode assembly for use in a solid polymer electrolyte fuel cell
EP1150369A1 (en) Gas distributor structure and gas diffusion electrodes for polymer electrolyte fuel cells
DE112006001185T5 (en) Porous, electrically conductive fluid distribution plate for fuel cells
DE112013004009T5 (en) Process for the preparation of a catalytic material
DE102018102588A1 (en) Catalyst ink for fuel cell, catalyst layer for fuel cell, and membrane electrode unit
DE602004010021T2 (en) Ink for producing a catalyst layer, electrode and membrane-electrode assembly in which such ink is used
CA2763412C (en) Method for producing catalyst layers for fuel cells
DE102007039467B4 (en) Fuel cell with electrically conductive webs adhered to a gas diffusion medium and method for the production thereof
DE102014102409B4 (en) Method of simultaneously applying multiple fuel cell component coatings to a substrate and method of making a membrane electrode assembly
DE102015014433A1 (en) Catalyst layer with passage opening for fuel cells
DE112012000166T5 (en) Membrane electrode assembly for direct oxidation fuel cell and direct oxidation fuel cell using same
DE102009023160A1 (en) Gravure printing method for producing catalyst layers on e.g. ionomer membranes, involves utilizing printing plate that exhibits print image with interrupted line grid pattern whose longitudinal lines are arranged against pressure direction

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
R016 Response to examination communication
R002 Refusal decision in examination/registration proceedings
R003 Refusal decision now final