Hlubotisk vrstev elektrokatalyzátorů pro škálovatelnou výrobu palivových článků (TAČR)

V posledních letech bylo na MFF UK věnováno značné úsilí vývoji nových katalyzátorů pro vodíkové palivové články PEMFC s využitím nových metod založených na fyzikální depozici katalyzátorů (PVD) magnetronovým naprašováním na protonově vodivé membrány (PEM) spojenou s plazmatickým leptáním povrchu membrán. Tyto katalyzátory se ukázaly jako velmi účinné při malém obsahu Pt především pro oxidaci vodíku na anodě. Výzkum byl do současné doby završen dvěma patenty. Byla představena dvě řešení, v prvním patentu byla Pt deponována na PEM pokrytou nanoporézní vrstvou nanočástic uhlíku, kterou označujeme c-i-l (carbon-ionomer-layer), ve druhém přímo na mikroporézní povrch PEM připravený leptáním kyslíkovým plazmatem. Využitelnost obou principů ve výrobě elektrodových katalytických systémů pro PEMFC ale vyžaduje vyvinout postupy škálování od laboratorních k průmyslově využitelným metodám přípravy.

Průmyslové využití magnetronového naprašování je v současné době vyřešeno, protože se jedná o metodu s širokým využitím v praxi. V případě PEMFC je ale potřeba vyřešit velkokapacitní přípravu substrátů pro depozici katalytických vrstev.

Srdcem palivového článku je elektrodová sestava MEA (membrane electrode assembly) připravená nanesením katalyticky aktivních nanostrukturních vrstev na obě strany PEM, anodová vrstva rozkládá vodík, a na katodové straně vzniká voda a obvodem spojujícím elektrody teče elektrický proud. Pro aplikace patentovaných katalyzátorů se ukázaly jako nejvhodnější následující postupy:

Depozice c-i-l na obě strany PEM a jejich následné leptání plazmatem se současnou depozicí platiny
Depozice c-i-l pouze na katodou stranu a následné leptání katody i anody plazmatem se současnou depozicí platiny.
Všechny metody mají společného jmenovatele v přípravě vrstev c-i-l jako katalytických nosičů. Tyto vrstvy jsou nanášeny ve formě suspenze v roztoku ionomeru (stejného materiálu, ze kterého je tvořena PEM) a dalších rozpouštědel (tzv. katalytického inkoust).

V laboratorním měřítku používáme pro depozici katalytických inkoustů sprejového povlakování v CNC zařízení od firmy SONO-TEK. Jedná se o velmi verzatilní zařízení umožňující snadno měnit složení a tloušťku vrstev, které ale není vhodné pro průmyslovou výrobu vzhledem k malé rychlosti a vysoké ceně.

Jednou z cest k efektivní depozici katalytických inkoustů je využití tiskařských metod k tisku c-i-l na PEM. Po zvážení různých metod, a i po návštěvě vývojové linky ve Fraunhofer institutu v Německu, jsme se rozhodli pro metodu hlubotisku, kde je vrstva přenášena z tiskařského gravírovaného válce na podklad.

Cílem aplikačního řešení bude:

1. Úprava viskozity a dalších parametrů (teplota, tlak, rychlost) našich katalytických inkoustů používaných ve sprejové depozici tak, aby hlubotiskem byly připraveny vrstvy c-i-l o stejných vlastnostech.
2. Návrh a stavba malé linky pro přípravu c-i-l metodou hlubotisku a ověření možnosti produkce MEA kombinací c-i-l a PVD.