DE102019214265A1 - Process for the production of an interface-optimized membrane electrode unit - Google Patents

Process for the production of an interface-optimized membrane electrode unit Download PDF

Info

Publication number
DE102019214265A1
DE102019214265A1 DE102019214265.6A DE102019214265A DE102019214265A1 DE 102019214265 A1 DE102019214265 A1 DE 102019214265A1 DE 102019214265 A DE102019214265 A DE 102019214265A DE 102019214265 A1 DE102019214265 A1 DE 102019214265A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
membrane
electrode
electrode layer
layer
structured
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.)
Withdrawn
Application number
DE102019214265.6A
Other languages
German (de)
Inventor
Ulrich Berner
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102019214265.6A priority Critical patent/DE102019214265A1/en
Priority to PCT/EP2020/069400 priority patent/WO2021052650A1/en
Publication of DE102019214265A1 publication Critical patent/DE102019214265A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8663—Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/8668—Binders
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8807—Gas diffusion layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8828—Coating with slurry or ink
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8892—Impregnation or coating of the catalyst layer, e.g. by an ionomer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer grenzflächenoptimierten Membranelektrodeneinheit (2) für eine Brennstoffzelle, umfassend die Schritte: Herstellen (40) eines Elektrodenmaterials (4) für die Membranelektrodeneinheit (2) der Brennstoffzelle, aufweisend ein Katalysatormaterial (6) und ein Zusatzmaterial (8) zur Strukturierung einer Elektrodenschicht (10), Aufbringen (42) des Elektrodenmaterials (4) auf eine Trägerfläche zur Herstellung der Elektrodenschicht (10), Behandeln (44) des Elektrodenmaterials (4) zur Herstellung einer Struktur (20) innerhalb der Elektrodenschicht (10), Verbinden (46) der strukturierten Elektrodenschicht (10') mit einer Membran (14) zur Herstellung einer Membranelektrodeneinheit (2), wobei das Zusatzmaterial (8) in Form von Porenbildnern gebildet ist.The invention relates to a method for producing an interface-optimized membrane electrode unit (2) for a fuel cell, comprising the steps of: producing (40) an electrode material (4) for the membrane electrode unit (2) of the fuel cell, comprising a catalyst material (6) and an additional material (8) ) for structuring an electrode layer (10), applying (42) the electrode material (4) to a carrier surface for producing the electrode layer (10), treating (44) the electrode material (4) for producing a structure (20) within the electrode layer (10) ), Connecting (46) the structured electrode layer (10 ') to a membrane (14) for producing a membrane electrode unit (2), the additional material (8) being in the form of pore formers.

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer grenzflächenoptimierten Membranelektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle sowie einer Membranelektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle.The present invention is based on a method for producing an interface-optimized membrane electrode unit for a fuel cell and a membrane electrode unit for a fuel cell.

Stand der TechnikState of the art

Neben dem Elektroantrieb hat sich insbesondere der Wasserstoffantrieb über Brennstoffzellen als zukunftsträchtige umweltfreundliche Alternative zu den verbrennungsmotorbetriebenen Antrieben herausgestellt. Um die Wasserstoffantriebsform konkurrenzfähig zu halten, ist es jedoch erforderlich die Energiebilanz bei der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie zu steigern. Hierbei ist insbesondere das Kernstück einer jeden Brennstoffzelle, die Membranelektrodeneinheit das Objekt intensiver Forschung. Zur Verbesserung der Energiebilanz wurden hierbei bereits Ansätze unternommen, die Grenzflächen zwischen den beteiligten Strukturen zu optimieren. Als wesentliches Ergebnis konnte hierbei gezeigt werden, dass eine Oberflächenvergrößerung über eine Strukturierung der Membran/Katalysator-Grenzfläche in der Größenordnung von 1 bis 10 µm zu einer deutlich verbesserten Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle führt. Zur Vergrößerung der Grenzfläche zwischen der Membran und der Katalysatorschicht wurde im Stand der Technik bisher hauptsächlich die Strukturierung der Membranoberfläche untersucht, wohingegen fein strukturierte Modifikationen der Katalysatoroberfläche bisher nicht bekannt sind. Mittels der bekannten Verfahren zur Strukturierung von Membranoberflächen ist es zwar möglich, die Oberfläche der Grenzflächen zwischen Membran und den Katalysatorstrukturen zu vergrößern, jedoch fehlt es bei den bekannten Methoden an der Möglichkeit einer genauen Einstellung und Variation der betreffenden Umstrukturierungen.In addition to the electric drive, the hydrogen drive via fuel cells has proven to be a promising, environmentally friendly alternative to internal combustion engine-powered drives. In order to keep the hydrogen propulsion form competitive, however, it is necessary to increase the energy balance when converting chemical energy into electrical energy. In particular, the core of every fuel cell, the membrane electrode unit, is the subject of intensive research. To improve the energy balance, approaches have already been taken to optimize the interfaces between the structures involved. As a key result, it was possible to show that an increase in the surface area by structuring the membrane / catalyst interface in the order of magnitude of 1 to 10 µm leads to a significantly improved performance of a fuel cell. In order to enlarge the interface between the membrane and the catalyst layer, the structure of the membrane surface has so far mainly been investigated in the prior art, whereas finely structured modifications of the catalyst surface are not known up to now. By means of the known methods for structuring membrane surfaces it is possible to increase the surface area of the interfaces between the membrane and the catalyst structures, but the known methods lack the possibility of a precise adjustment and variation of the restructuring concerned.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gegenstand der Erfindung ist gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs sowie gemäß einem zweiten Aspekt eine Membranelektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Membranelektrodeneinheit und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.According to a first aspect, the subject matter of the invention is a method having the features of the independent method claim and, according to a second aspect, a membrane electrode unit for a fuel cell. Further features and details of the invention emerge from the respective subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the method according to the invention naturally also apply in connection with the membrane electrode unit according to the invention and vice versa, so that with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention, reference is or can always be made to each other.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer grenzflächenoptimierten Membranelektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle dient insbesondere der Optimierung der Leistung und der Energieausbeute von Brennstoffzellen bzw. der Optimierung der Umsatzraten der in Brennstoffzellen ablaufenden Reaktionen. Hierbei ist der Vorteil des gegenständlichen Verfahrens insbesondere darin zu sehen, dass durch dessen Anwendung eine deutlich zielgerichtetere und exaktere Einstellung und Variation von Oberflächenmodifikationen einer Membran/Katalysatorschicht-Grenzfläche erzielt werden kann und somit eine Energieausbeute und eine Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellen noch weiter optimiert werden kann.The method according to the invention for producing an interface-optimized membrane electrode unit for a fuel cell serves in particular to optimize the performance and the energy yield of fuel cells or to optimize the conversion rates of the reactions taking place in fuel cells. The advantage of the present method is to be seen, in particular, in the fact that its application enables a much more targeted and precise setting and variation of surface modifications of a membrane / catalyst layer interface to be achieved and thus an energy yield and the performance of fuel cells to be optimized even further.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer grenzflächenoptimierten Membranelektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle umfasst hierbei den Schritt eines Herstellens eines Elektrodenmaterials für die Membranelektrodeneinheit der Brennstoffzelle, aufweisend ein Katalysatormaterial und ein Zusatzmaterial zur Strukturierung einer Elektrodenschicht, den Schritt eines Aufbringen des Elektrodenmaterials auf eine Trägerfläche oder GDL-Oberfläche zur Herstellung der Elektrodenschicht, den Schritt eines Behandeln des Elektrodenmaterials zur Herstellung einer Struktur innerhalb der Elektrodenschicht sowie den Schritt eines Verbinden der strukturierten Elektrodenschicht mit einer Membran zur Herstellung einer Membranelektrodeneinheit. Hierbei zeichnet sich das gegenständliche Verfahren dadurch aus, dass das Zusatzmaterial erfindungsgemäß in Form von Porenbildnern gebildet ist.The method according to the invention for producing an interface-optimized membrane electrode unit for a fuel cell comprises the step of producing an electrode material for the membrane electrode unit of the fuel cell, comprising a catalyst material and an additional material for structuring an electrode layer, the step of applying the electrode material to a carrier surface or GDL surface for Production of the electrode layer, the step of treating the electrode material to produce a structure within the electrode layer and the step of connecting the structured electrode layer to a membrane to produce a membrane electrode unit. Here, the method in question is characterized in that the additional material is formed according to the invention in the form of pore formers.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von grenzflächenoptimierten Elektrodeneinheiten für eine Brennstoffzelle, es kann jedoch ebenso zur Herstellung von grenzflächenoptimierten Elektrodeneinheiten für Elektrolyseure verwendet werden. Unter einer erfindungsgemäßen Strukturierung wird im Rahmen der Erfindung eine Strukturierung mit Ausnehmungen zumindest im oberen Nanometer- bis unteren Mikrometer-Maßstab verstanden. Das gegenständliche Katalysatormaterial kann insbesondere Kohlenstoffnanopartikel, Platinnanopartikel sowie lonomere umfassen. Bei einem erfindungsgemäßen Herstellen eines Elektrodenmaterials kann das Elektrodenmaterial vorzugsweise in Form einer typischen Slurry vorgelegt werden. Zu dieser Slurry werden dann vorzugsweise die Zusatzmaterialien zugeführt und mit der Slurry vermischt.The method according to the invention is particularly suitable for producing interface-optimized electrode units for a fuel cell, but it can also be used for producing interface-optimized electrode units for electrolyzers. In the context of the invention, a structuring according to the invention is understood to mean a structuring with recesses at least on the upper nanometer to lower micrometer scale. The catalyst material in question can in particular comprise carbon nanoparticles, platinum nanoparticles and ionomers. When an electrode material is produced according to the invention, the electrode material can preferably be presented in the form of a typical slurry. The additional materials are then preferably added to this slurry and mixed with the slurry.

Im Hinblick auf eine möglichst effektive Strukturierung einer Elektrodenschicht kann erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass die Zusatzmaterialien sphärisch und/oder faserartig geformt sind. Unter einer sphärischen Form wird hierbei im Rahmen der Erfindung eine Form verstanden, die ein zumindest vergleichbares Länge/Breite-Verhältnis aufweist, d.h. vorzugsweise ein Länge/Breite-Verhältnis zwischen 3 und 0,3. Beispielhafte Formen können hierbei insbesondere kugelförmige, eiförmige, quaderförmige, kubische oder auch Mischformen der genannten Formen sein. Faserartige Strukturen weisen hingegen ein großes Länge/Breite-Verhältnis von über 3 bzw. unter 0,3 auf.With a view to structuring an electrode layer as effectively as possible, it can be provided according to the invention in particular that the additional materials are shaped spherically and / or fiber-like. In the context of the invention, a spherical shape is understood to mean a shape that has an at least comparable length / width Has ratio, ie preferably a length / width ratio between 3 and 0.3. Exemplary shapes can in particular be spherical, egg-shaped, parallelepiped, cubic or also mixed shapes of the shapes mentioned. In contrast, fiber-like structures have a large length / width ratio of more than 3 or less than 0.3.

Im Rahmen einer möglichst effektiven Strukturierung einer Elektrodenschicht ist es ferner denkbar, dass die Zusatzmaterialien einen mittleren Durchmesser zwischen 0,2 und 10 µm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 5 µm aufweisen. Faserartig gebildete Zusatzmaterialien besitzen vorzugsweise eine Länge zwischen 1 µm bis 1mm, insbesondere zwischen 5 µm bis 50 µm.In the context of structuring an electrode layer that is as effective as possible, it is also conceivable that the additional materials have an average diameter between 0.2 and 10 μm, preferably between 0.5 and 5 μm. Additional materials formed like fibers preferably have a length between 1 μm and 1 mm, in particular between 5 μm and 50 μm.

Als besonders geeignet haben sich im Rahmen der Erfindung Zusatzmaterialien in Form von Polymeren, insbesondere aus Polyethylen, Polypropylen Polyacrylat, Polystyrol, Polyacrylsäure, PET, PEO oder PVC herausgestellt. Ebenso können die Zusatzmaterialien erfindungsgemäß auch in Form anderer Polymere, beispielsweise Cellulose oder dergleichen gebildet sein. Alternativ können die Zusatzmaterialien bzw. die Porenbildner auch in Form von monomeren Einheiten, beispielsweise in Form monomerer Zuckereinheiten oder Salzen, wie Halogeniden, Nitraten, Sulfaten oder Sulfiden oder dergleichen vorliegen. Es versteht sich, dass auch eine Kombination verschiedener Materialien als Zusatzmaterialien verwendet werden kann.In the context of the invention, additional materials in the form of polymers, in particular made of polyethylene, polypropylene, polyacrylate, polystyrene, polyacrylic acid, PET, PEO or PVC have proven to be particularly suitable. Likewise, according to the invention, the additional materials can also be formed in the form of other polymers, for example cellulose or the like. Alternatively, the additional materials or the pore formers can also be present in the form of monomeric units, for example in the form of monomeric sugar units or salts, such as halides, nitrates, sulfates or sulfides or the like. It goes without saying that a combination of different materials can also be used as additional materials.

Im Hinblick auf eine möglichst einfache, schnelle und unkomplizierte Herstellung einer grenzflächenoptimierten Membranelektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass die Trägerfläche in Form einer mikroporösen Schicht (MPL), insbesondere in Form eines Schichtverbundes aus mikroporöser Schicht (MPL) und Gasdiffusionsschicht (GDL) gebildet ist.With a view to the simplest, fastest and most uncomplicated production of a membrane electrode unit for a fuel cell with optimized interfaces, it can furthermore be provided according to the invention that the carrier surface is in the form of a microporous layer (MPL), in particular in the form of a composite layer of microporous layer (MPL) and gas diffusion layer (GDL ) is formed.

Im Rahmen eines besonders materialschonenden Verfahrens zur Herstellung qualitativ besonders hochwertiger grenzflächenoptimierter Membranelektrodeneinheiten kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass das Elektrodenmaterial zumindest auf eine temporäre Trägerfolie aufgetragen wird. Die temporäre Trägerfolie kann hierbei zumindest teilweise die Trägerfläche selbst darstellen. Die temporäre Trägerfolie soll insbesondere einer besseren Handhabbarkeit dienen und abschließend vorzugsweise vor einer Fertigstellung einer grenzflächenoptimierten Membranelektrodeneinheit über das gegenständliche Verfahren wieder entfernt werden.As part of a particularly material-saving method for producing high-quality, particularly high-quality, interface-optimized membrane electrode units, it can furthermore be provided according to the invention that the electrode material is applied to at least a temporary carrier film. The temporary carrier film can at least partially represent the carrier surface itself. In particular, the temporary carrier film is intended to make it easier to handle and, finally, preferably to be removed again using the method in question before a surface-optimized membrane electrode unit is completed.

Zur Gewährleistung einer grenzflächig angeordneten strukturierten Elektrodenschicht ist es erfindungsgemäß ferner denkbar, dass die Trägerfläche in Form einer unstrukturierten Elektrodenschicht gebildet ist, wobei das Material der unstrukturierten Elektrodenschicht vorzugsweise keine Zusatzmaterialien umfasst. Dies ist insbesondere bei dickeren Elektrodenschichten vorteilhaft, da erfindungsgemäß eine Vergrößerung der Grenzfläche angestrebt wird und nicht etwa eine Vergrößerung der Oberfläche der gesamten Elektrodenschicht. Bei einer Vergrößerung der Oberfläche der gesamten Elektrodenschicht sind zudem nachteiliger Weise Einbußen bezüglich der Leitfähigkeit zu erwarten.To ensure a structured electrode layer arranged at the interface, it is also conceivable according to the invention that the carrier surface is formed in the form of an unstructured electrode layer, the material of the unstructured electrode layer preferably not including any additional materials. This is particularly advantageous in the case of thicker electrode layers, since according to the invention the aim is to enlarge the interface and not, for example, to enlarge the surface of the entire electrode layer. If the surface of the entire electrode layer is enlarged, losses in terms of conductivity are also to be expected, which is disadvantageous.

Im Hinblick auf eine einfache und effektive Art und Weise der Herstellung einer strukturierten Oberfläche kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass das Behandeln des Elektrodenmaterials die Entfernung des Zusatzmaterials umfasst, wobei das Behandeln des Elektrodenmaterials vorzugsweise temperaturgesteuert und/oder mittels eines selektiven Löseverfahrens erfolgt. Durch die Entfernung des Zusatzmaterials entstehen schließlich die erfindungsgemäß vorgesehenen Poren bzw. Strukturen innerhalb des Elektrodenmaterials. Eine Temperatursteuerung kann im Rahmen der Erfindung insbesondere eine Temperaturerhöhung, beispielsweise durch einen Wärmestrom oder ein Bestrahlen mit energiereicher Strahlung oder dergleichen beinhalten. Ein selektives Lösen kann hierbei insbesondere durch Zusatz von orthogonalen Lösemitteln erfolgen, in denen sich die Porenbildner lösen, die Katalysatormaterialien jedoch nicht. Die Auswahl der spezifischen Behandlungsverfahren kann sich hierbei insbesondere nach der jeweiligen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Porenbildner richten, sodass bei einer Ausführung mit leicht flüchtigen bzw. brennbaren Porenbildnern, wie beispielsweise Cellulose eine Entfernung vorteilhafter Weise über ein thermisches Behandeln, insbesondere ein Erhitzen erfolgen kann, wohingegen sich bei der Verwendung von Polymeren, wie Polyethylen beispielsweise eher selektive Lösungsverfahren eignen. Bei einer Kombination verschiedener Porenbildnermaterialien kann sich ferner auch eine Kombination der verschiedenen Verfahren anbieten.With regard to a simple and effective way of producing a structured surface, it can furthermore be provided according to the invention that the treatment of the electrode material includes the removal of the additional material, the treatment of the electrode material preferably taking place in a temperature-controlled manner and / or by means of a selective dissolving process. By removing the additional material, the pores or structures provided according to the invention are finally created within the electrode material. In the context of the invention, temperature control can in particular include an increase in temperature, for example by means of a heat flow or exposure to high-energy radiation or the like. A selective dissolution can take place here in particular by adding orthogonal solvents in which the pore formers dissolve but the catalyst materials do not. The selection of the specific treatment method can be based in particular on the respective configuration of the pore formers according to the invention, so that in the case of an embodiment with highly volatile or combustible pore formers, such as cellulose, removal can advantageously take place via thermal treatment, in particular heating, whereas this is the case when using polymers such as polyethylene, for example, more selective solution processes are more suitable. In the case of a combination of different pore-forming materials, a combination of the different methods can also be offered.

Im Rahmen einer besonders einfachen Lösung einer Ausführung der Herstellung einer grenzflächenoptimierten Membranelektrodeneinheit, kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass ein Verbinden der strukturierten Elektrodenschicht mit einer Membran zur Herstellung einer Membranelektrodeneinheit über das Verpressen der strukturierten Elektrodenschicht mit einer Membranfolie erfolgt.As part of a particularly simple solution to an embodiment of the production of an interface-optimized membrane electrode unit, the invention can also provide that the structured electrode layer is connected to a membrane for producing a membrane electrode unit by pressing the structured electrode layer with a membrane film.

Da es bei einem einfachen Verpressen der strukturierten Elektrodenschicht mit einer Membran zu einer mangelhaften Ausfüllung der offenen Strukturen kommen kann, ist es erfindungsgemäß vorteilhafterweise denkbar, dass die strukturierte Elektrodenschicht vor einem Verbinden mit einer Membran zur Herstellung einer Membranelektrodeneinheit mit einer lonomerschicht überzogen wird. Die lonomerschicht kann hierbei insbesondere in Form einer dünnen Schicht einer lonomerlösung aufgebracht werden. Vorzugsweise kann hierbei gerade genug verwendet werden, um die offenen Strukturen zu füllen. Nach der Herstellung eines solchen Überzuges kann dann erfindungsgemäß beispielsweise ein Verpressen mit einer Membranfolie erfolgen. Das lonomer bzw. die lonomerschicht fließt dann zu einem geringeren Anteil ebenfalls in die Struktur der Elektrodenschicht hinein, was sich in der Regel positiv auf die Ladungsträgeraustauschraten zwischen den Grenzflächen auswirkt. Alternativ zu einem Aufpressen einer Membranfolie kann beispielsweise auch die komplette Membran als ganzer Bestandteil auf die strukturierte Elektrodenschicht bzw. die strukturierten Elektrodenschichten aufgebracht werden.Since a simple pressing of the structured electrode layer with a membrane can lead to inadequate filling of the open structures, it is advantageously conceivable according to the invention that the structured electrode layer, prior to being connected to a membrane for the production of a membrane electrode unit, with is coated with an ionomer layer. The ionomer layer can in particular be applied in the form of a thin layer of an ionomer solution. Preferably just enough can be used to fill the open structures. After such a coating has been produced, according to the invention, for example, pressing with a membrane film can then take place. The ionomer or the ionomer layer then also flows into the structure of the electrode layer to a lesser extent, which generally has a positive effect on the charge carrier exchange rates between the interfaces. As an alternative to pressing on a membrane film, for example, the complete membrane can also be applied as a complete component to the structured electrode layer or the structured electrode layers.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist zudem eine Membranelektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle, insbesondere hergestellt nach einem voranstehend beschriebenen Verfahren. Hierbei umfasst die gegenständliche Membranelektrodeneinheit eine erste und eine zweite Elektrodenschicht sowie eine zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht angeordnete Membran, wobei zumindest eine der Elektrodenschichten in Form einer strukturierten Elektrodenschicht gebildet ist und eine Mehrzahl von an der Grenzfläche zwischen der Elektrodenschicht und der Membran angeordnete Poren zur Vergrößerung/Optimierung der Grenzfläche zwischen der strukturierten Elektrodenschicht und der Membran aufweist. Damit weist die gegenständliche Membranelektrodeneinheit die gleichen Vorteile auf, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer grenzflächenoptimierten Membranelektrodeneinheit beschrieben worden sind.The invention also relates to a membrane electrode unit for a fuel cell, in particular produced according to a method described above. Here, the subject membrane electrode unit comprises a first and a second electrode layer and a membrane arranged between the first and second electrode layers, at least one of the electrode layers being in the form of a structured electrode layer and a plurality of pores arranged at the interface between the electrode layer and the membrane for Has enlargement / optimization of the interface between the structured electrode layer and the membrane. The present membrane electrode unit thus has the same advantages as have already been described in detail with regard to the method according to the invention for producing a membrane electrode unit with optimized interfaces.

Die innerhalb der strukturierten Elektrodenschicht angeordneten Poren besitzen hierbei gegenständlich eine vergleichbare Größe zu den gemäß dem entsprechenden Herstellungsverfahren verwendeten Porenbildnern. Somit besitzen die Poren vorteilhafter Weise ebenfalls eine Größe von 0,2 bis 10 µm, vorzugsweise von 0,5 bis 5 µm. Bei der Verwendung von faserartig gebildete Zusatzmaterialien besitzen die Poren entsprechend vorzugsweise eine Länge zwischen 1 µm bis 1mm, insbesondere zwischen 5 µm bis 50 µm. Wahlweise kann zur Verbesserung der Verbindung zwischen der strukturierten Elektrodenschicht und der Membran bzw. zur verbesserten Ausfüllung der Poren der strukturierten Elektrodenschicht eine lonomerschicht vorgesehen sein, die zumindest teilweise zwischen der strukturierten Elektrodenschicht und der Membran angeordnet ist. An die erste und zweite Elektrodenschicht der gegenständlichen Membranelektrodeneinheit kann ferner vorzugsweise jeweils eine Einheit aus mikroporöser Schicht und Gasdiffusionsschicht angeordnet sein.The pores arranged within the structured electrode layer have an objectively comparable size to the pore formers used according to the corresponding production method. The pores thus advantageously also have a size of 0.2 to 10 μm, preferably 0.5 to 5 μm. When using additional materials formed like fibers, the pores accordingly preferably have a length between 1 μm and 1 mm, in particular between 5 μm and 50 μm. Optionally, to improve the connection between the structured electrode layer and the membrane or to improve the filling of the pores of the structured electrode layer, an ionomer layer can be provided which is at least partially arranged between the structured electrode layer and the membrane. Furthermore, a unit composed of a microporous layer and a gas diffusion layer can preferably be arranged on the first and second electrode layers of the membrane electrode unit in question.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist zudem eine Brennstoffzelle, umfassend eine voranstehend beschriebene Membranelektrodeneinheit.The invention also relates to a fuel cell comprising a membrane electrode unit described above.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can be essential to the invention individually or in any combination.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer elektronenmikroskopischen Aufnahme eines Komplexes aus einer Membranlektrodeneinheit und jeweils einer Einheit aus einer mikroporösen Schicht mit daran angeordneter Gasdiffusionsschicht,
  • 2 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer grenzflächenoptimierten Membranelektrodeneinheit,
  • 3 eine weitere schematische Darstellung einzelner Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer grenzflächenoptimierten Membranelektrodeneinheit gemeinsam mit einer Darstellung der betreffenden Strukturen.
Show it:
  • 1 a schematic representation of an electron microscope image of a complex of a membrane electrode unit and a unit of a microporous layer with a gas diffusion layer arranged thereon,
  • 2 a schematic representation of the individual steps of a method according to the invention for producing an interface-optimized membrane electrode unit,
  • 3rd a further schematic illustration of individual method steps of the method according to the invention for the production of an interface-optimized membrane electrode unit together with an illustration of the structures in question.

In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.In the following figures, the same reference numerals are used for the same technical features from different exemplary embodiments.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektronenmikroskopischen Aufnahme eines Komplexes aus einer Membranelektrodeneinheit 2 und jeweils einer Einheit aus einer mikroporösen Schicht 16 mit daran angeordneter Gasdiffusionsschicht 18. 1 shows a schematic representation of an electron microscope image of a complex of a membrane electrode unit 2 and one unit each of a microporous layer 16 with a gas diffusion layer arranged thereon 18th .

Aus der vorliegenden Darstellung ist der charakteristische Schichtaufbau des Herzstückes jeder Brennstoffzelle erkennbar, der eine zentral angeordnete Membranelektrodeneinheit 2, mit einer zwischen zwei Elektrodenschichten 10 angeordneten Membran 14 umfasst, die von beiden Seiten jeweils mit einem Komplex aus mikroporöser Schicht 16 und daran angeordneter Gasdiffusionsschicht 18 umgeben ist.The present illustration shows the characteristic layer structure of the heart of every fuel cell, which is a centrally arranged membrane electrode unit 2 , with one between two electrode layers 10 arranged membrane 14th includes, each with a complex of microporous layer on both sides 16 and a gas diffusion layer arranged thereon 18th is surrounded.

2 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer grenzflächenoptimierten Membranelektrodeneinheit 2. 2 shows a schematic representation of the individual steps of an inventive Process for the production of an interface-optimized membrane electrode unit 2 .

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer grenzflächenoptimierten Membranelektrodeneinheit 2 für eine Brennstoffzelle erfolgt zunächst in einem ersten Schritt ein Herstellen 40 eines Elektrodenmaterials 4 für die Membranelektrodeneinheit 2 der Brennstoffzelle, aufweisend ein Katalysatormaterial 6 und ein Zusatzmaterial 8 zur Strukturierung einer Elektrodenschicht 10. Das gegenständliche Katalysatormaterial 6 kann hierbei insbesondere Kohlenstoffnanopartikel, Platinnanopartikel sowie lonomere umfassen.According to the method according to the invention for producing an interface-optimized membrane electrode unit 2 a fuel cell is first manufactured in a first step 40 an electrode material 4th for the membrane electrode assembly 2 the fuel cell, comprising a catalyst material 6th and an additional material 8th for structuring an electrode layer 10 . The objective catalyst material 6th can in particular include carbon nanoparticles, platinum nanoparticles and ionomers.

Das Zusatzmaterial 8 kann gegenständlich insbesondere in Form von Polymeren, vorzugsweise aus Polyethylen oder Polypropylen gebildet sein. Ebenso kann das Zusatzmaterial 8 auch in Form anderer Polymere, wie beispielsweise Cellulose oder dergleichen gebildet sein. Alternativ ist auch eine Ausgestaltung des Zusatzmaterials 8 in Form von polymeren Strukturen, beispielsweise in Form monomerer Zuckereinheiten oder Salzen oder dergleichen denkbar. Es versteht sich ferner, dass auch eine Kombination verschiedener Materialien als Zusatzmaterial 8 verwendet werden kann.The additional material 8th can be embodied in particular in the form of polymers, preferably from polyethylene or polypropylene. Likewise, the additional material 8th also be formed in the form of other polymers, such as cellulose or the like. Alternatively, there is also an embodiment of the additional material 8th in the form of polymeric structures, for example in the form of monomeric sugar units or salts or the like, conceivable. It is also understood that a combination of different materials can be used as additional material 8th can be used.

Die Zusatzmaterialien 8 sind vorzugsweise sphärisch und/oder faserartig geformt und weisen bevorzugt einen mittleren Durchmesser zwischen 0,2 und 10 µm, insbesondere zwischen 0,5 und 5 µm auf.The additional materials 8th are preferably spherical and / or fiber-like in shape and preferably have an average diameter between 0.2 and 10 μm, in particular between 0.5 and 5 μm.

Gemäß einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Aufbringen 42 des Elektrodenmaterials 4 auf eine Trägerfläche zur Herstellung der Elektrodenschicht 10. Die Trägerfläche kann hierbei insbesondere in Form einer mikroporösen Schicht (MPL) 16, vorzugsweise in Form eines Schichtverbundes aus mikroporöser Schicht (MPL) und Gasdiffusionsschicht (GPL) 18 gebildet sein. Im Rahmen eines besonders materialschonenden Verfahrens zur Herstellung qualitativ besonders hochwertiger grenzflächenoptimierter Membranelektrodeneinheiten 2 kann das Elektrodenmaterial 4 auch zumindest vorab auf eine temporäre Trägerfolie aufgetragen werden. Eine temporäre Trägerfolie soll hierbei insbesondere einer besseren Handhabbarkeit dienen und kann abschließend vor einer Fertigstellung einer grenzflächenoptimierten Membranelektrodeneinheit 2 vorzugsweise einfach wieder entfernt werden. Zur Gewährleistung einer lediglich grenzflächig angeordneten strukturierten Elektrodenschicht 10' ist es erfindungsgemäß ferner denkbar, dass die Trägerfläche in Form einer unstrukturierten Elektrodenschicht 10' gebildet ist, wobei das Material der unstrukturierten Elektrodenschicht 10, vorzugsweise keine Zusatzmaterialien 8 umfasst. Ein solches Vorgehen ist insbesondere bei dicken Elektrodenschichten 10 vorteilhaft, da man erfindungsgemäß eine Vergrößerung der Grenzfläche GF anstrebt und nicht etwa eine Vergrößerung der Oberfläche der gesamten Elektrodenschicht 2.According to a second step of the method according to the invention, application takes place 42 of the electrode material 4th on a support surface for producing the electrode layer 10 . The carrier surface can be in the form of a microporous layer (MPL) 16 , preferably in the form of a layer composite of microporous layer (MPL) and gas diffusion layer (GPL) 18th be educated. As part of a particularly material-friendly process for the production of particularly high-quality, interface-optimized membrane electrode units 2 can the electrode material 4th can also be applied at least in advance to a temporary carrier film. A temporary carrier film is intended in particular to make it easier to handle and can finally be used prior to the completion of a membrane electrode unit with optimized interfaces 2 preferably simply removed again. To ensure a structured electrode layer that is only arranged on the surface 10 ' it is also conceivable according to the invention that the carrier surface is in the form of an unstructured electrode layer 10 ' is formed, the material of the unstructured electrode layer 10 , preferably no additional materials 8th includes. Such a procedure is particularly useful in the case of thick electrode layers 10 advantageous because, according to the invention, the aim is to enlarge the interface GF and not, for example, to enlarge the surface of the entire electrode layer 2 .

Gemäß einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt gegenständlich ein Behandeln 44 des Elektrodenmaterials 4 zur Herstellung einer Struktur 20 innerhalb der Elektrodenschicht 10. Das gegenständliche Behandeln 44 des Elektrodenmaterials 4 kann hierbei insbesondere die Entfernung des Zusatzmaterials 8 umfassen, wobei das Behandeln 44 des Elektrodenmaterials 4 vorzugsweise temperaturgesteuert und/oder mittels eines selektiven Löseverfahrens erfolgt. Durch die Entfernung des Zusatzmaterials 8 entstehen schließlich die erfindungsgemäß vorgesehenen Poren bzw. Strukturen 20 innerhalb des Elektrodenmaterials 10. Eine Temperatursteuerung kann hierbei insbesondere eine Temperaturerhöhung beispielsweise durch einen Wärmestrom oder ein Bestrahlen mit energiereicher Strahlung oder dergleichen umfassen. Ein selektives Lösen kann ferner insbesondere durch Zusatz von orthogonalen Lösemitteln erfolgen, in denen sich die Porenbildner lösen, die Katalysatormaterialien jedoch nicht. Die Auswahl spezifischer Behandlungsverfahren kann sich hierbei insbesondere nach der jeweiligen Ausgestaltung der erfindungsgemäße Porenbildner richten, sodass bei einer Ausführung mit leicht flüchtigen bzw. sich thermisch zersetzenden Porenbildnern, eine Entfernung vorteilhafter Weise über thermisches Behandeln erfolgen kann, wohingegen sich bei der Verwendung von Polymeren wie Polyethylen (oder Salzen) beispielsweise eher selektive Löseverfahren eignen.According to a third step of the method according to the invention, an objective treatment takes place 44 of the electrode material 4th to create a structure 20th within the electrode layer 10 . Objective treatment 44 of the electrode material 4th can in particular remove the additional material 8th include, treating 44 of the electrode material 4th preferably temperature-controlled and / or takes place by means of a selective dissolution process. By removing the additional material 8th Finally, the pores or structures provided according to the invention are created 20th within the electrode material 10 . A temperature control can in this case in particular include a temperature increase, for example by means of a heat flow or irradiation with high-energy radiation or the like. A selective dissolution can also take place in particular by adding orthogonal solvents in which the pore formers dissolve but the catalyst materials do not. The selection of specific treatment methods can be based in particular on the respective design of the pore formers according to the invention, so that in an embodiment with highly volatile or thermally decomposing pore formers, removal can advantageously take place via thermal treatment, whereas when using polymers such as polyethylene (or salts), for example, more selective dissolution processes are suitable.

Gemäß einem vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt schließlich ein Verbinden 46 der strukturierten Elektrodenschicht 10' mit einer Membran 14 zur Herstellung einer Membranelektrodeneinheit 2. Das gegenständliche Verbinden 46 der strukturierten Elektrodenschicht 10' mit einer Membran 14 zur Herstellung einer Membranelektrodeneinheit 2 kann hierbei insbesondere in Form eines Verpressens einer strukturierten Elektrodenschicht 10' mit einer Membranfolie erfolgen. Alternativ kann die strukturierte Elektrodenschicht 10' vor einem Verbinden 46 mit einer Membran 14 zur Herstellung einer Membranelektrodeneinheit 2 mit einer lonomerschicht 24 überzogen werden. Eine gegenständliche lonomerschicht 24 kann hierbei insbesondere in Form einer dünnen Schicht einer lonomerlösung oder dergleichen aufgebracht werden, vorzugsweise nur so dick, um die offenen Strukturen der strukturierten Elektrodenschicht 10' zu füllen. Dies wirkt sich in der Regel positiv auf die Ladungsträgeraustauschraten zwischen der Grenzfläche der strukturierten Elektrodenschicht 10' und der Membran 14 aus.According to a fourth step of the method according to the invention, a connection finally takes place 46 the structured electrode layer 10 ' with a membrane 14th for the production of a membrane electrode unit 2 . The objective connection 46 the structured electrode layer 10 ' with a membrane 14th for the production of a membrane electrode unit 2 can, in particular, take the form of pressing a structured electrode layer 10 ' done with a membrane film. Alternatively, the structured electrode layer 10 ' before connecting 46 with a membrane 14th for the production of a membrane electrode unit 2 be coated with an ionomer layer 24. An objective ionomer layer 24 can be applied here in particular in the form of a thin layer of an ionomer solution or the like, preferably only as thick as around the open structures of the structured electrode layer 10 ' to fill. This usually has a positive effect on the charge carrier exchange rates between the interface of the structured electrode layer 10 ' and the membrane 14th out.

Das gegenständliche Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das Zusatzmaterial 8 in Form von Porenbildnern gebildet ist, die zunächst in das Elektrodenmaterial 4 eingearbeitet werden und nach einem Entfernen die vorgesehene strukturierte Oberfläche der strukturierten Elektrodenschicht 10' schaffen.The present method is characterized in particular by the fact that the additional material 8th is formed in the form of pore formers, which are initially in the electrode material 4th are incorporated and, after removal, the intended structured surface of the structured electrode layer 10 ' create.

3 zeigt eine weitere schematische Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens eines Herstellens einer grenzflächenoptimierten Membranelektrodeneinheit 2 gemeinsam mit einer Darstellung der betreffenden Strukturen. 3rd shows a further schematic representation of the individual method steps of the method according to the invention of producing an interface-optimized membrane electrode unit 2 together with a representation of the structures concerned.

Hierbei ist vorliegend zu erkennen, dass ein vorab hergestelltes Elektrodenmaterial 4, umfassend ein Katalysatormaterial 6 und ein Zusatzmaterial 8 zur Strukturierung einer Elektrodenschicht 10 zunächst in einem Schritt 42 auf eine in Form einer mikroporösen Schicht 16 gebildete Trägerfläche aufgebracht wird.It can be seen here that a previously produced electrode material 4th , comprising a catalyst material 6th and an additional material 8th for structuring an electrode layer 10 initially in one step 42 on one in the form of a microporous layer 16 formed support surface is applied.

In einem anschließenden Schritt 44 erfolgt ein Entfernen der in Form von Porenbildnern gebildeten Zusatzmaterialien 8 entweder durch thermische Behandlung oder durch selektives Lösen, vorzugsweise mittels orthogonalen Lösemitteln (die nicht die Katalysatormaterialien lösen). Über das Behandeln 44 wird schließlich aus der Elektrodenschicht 10 eine strukturierte Elektrodenschicht 10' geschaffen, die eine an einer Grenzfläche GF angeordnete Struktur 20, umfassend eine Vielzahl von Ausnehmungen 22 aufweist.In a subsequent step 44 the additional materials formed in the form of pore formers are removed 8th either by thermal treatment or by selective dissolution, preferably by means of orthogonal solvents (which do not dissolve the catalyst materials). About treating 44 will eventually come from the electrode layer 10 a structured electrode layer 10 ' created, which is arranged at an interface GF structure 20th , comprising a plurality of recesses 22nd having.

In einem anschließenden Schritt 46 wird die strukturierte Elektrodenschicht 10' zunächst mit einer lonomerschicht 24 überzogen, bevor die gegenständliche grenzflächenoptimierte Membranelektrodeneinheit 2 durch ein Verpressen der strukturierten Elektrodenschicht 10' mit der Membran 14 gebildet wird.In a subsequent step 46 becomes the structured electrode layer 10 ' initially coated with an ionomer layer 24 before the interface-optimized membrane electrode unit in question 2 by pressing the structured electrode layer 10 ' with the membrane 14th is formed.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.The above explanation of the embodiments describes the present invention exclusively in the context of examples. Of course, individual features of the embodiments can be combined with one another, insofar as it is technically sensible, without departing from the scope of the present invention.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Membranelektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle ist es insbesondere möglich, eine Strukturierung von Elektrodenschichten besonders exakt und zielgerichtet zu steuern, sodass eine verbesserte Grenzflächenoptimierung an der Grenzfläche zwischen Elektrodenschichten und der Membran einer Membranelektrodeneinheit erzielt werden kann.By means of the method according to the invention and the membrane electrode unit according to the invention for a fuel cell, it is in particular possible to control a structuring of electrode layers particularly precisely and in a targeted manner, so that an improved interface optimization can be achieved at the interface between electrode layers and the membrane of a membrane electrode unit.

Claims (11)

Verfahren zur Herstellung einer grenzflächenoptimierten Membranelektrodeneinheit (2) für eine Brennstoffzelle, umfassend die Schritte: - Herstellen (40) eines Elektrodenmaterials (4) für die Membranelektrodeneinheit (2) der Brennstoffzelle, aufweisend ein Katalysatormaterial (6) und ein Zusatzmaterial (8) zur Strukturierung einer Elektrodenschicht (10), - Aufbringen (42) des Elektrodenmaterials (4) auf eine Trägerfläche zur Herstellung der Elektrodenschicht (10), - Behandeln (44) des Elektrodenmaterials (4) zur Herstellung einer Struktur (20) innerhalb der Elektrodenschicht (10), - Verbinden (46) der strukturierten Elektrodenschicht (10') mit einer Membran (14) zur Herstellung einer Membranelektrodeneinheit (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial (8) in Form von Porenbildnern gebildet ist.Method for producing an interface-optimized membrane electrode unit (2) for a fuel cell, comprising the steps: - producing (40) an electrode material (4) for the membrane electrode unit (2) of the fuel cell, comprising a catalyst material (6) and an additional material (8) for structuring an electrode layer (10), - application (42) of the electrode material (4) to a carrier surface to produce the electrode layer (10), - treatment (44) of the electrode material (4) to produce a structure (20) within the electrode layer (10) - Connecting (46) the structured electrode layer (10 ') to a membrane (14) for producing a membrane electrode unit (2), characterized in that the additional material (8) is in the form of pore formers. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmaterialien (8) sphärisch und/oder faserartig geformt sind.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the additional materials (8) are spherical and / or shaped like fibers. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmaterialien (8) einen mittleren Durchmesser zwischen 0,2 und 10 µm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 5 µm, aufweisen.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the additional materials (8) have an average diameter between 0.2 and 10 µm, preferably between 0.5 and 5 µm. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmaterialien (8) in Form von Polymeren, insbesondere aus Polyethylen, Polypropylen, Polyacrylat, Polystyrol, Polyacrylsäure, PET, PEO oder PVC gebildet sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the additional materials (8) are formed in the form of polymers, in particular from polyethylene, polypropylene, polyacrylate, polystyrene, polyacrylic acid, PET, PEO or PVC. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfläche in Form einer mikroporösen Schicht (MPL) (16), insbesondere in Form eines Schichtverbundes aus mikroporöser Schicht (MPL) (16) und Gasdiffusionsschicht (GDL) (18), gebildet ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier surface is formed in the form of a microporous layer (MPL) (16), in particular in the form of a composite layer of microporous layer (MPL) (16) and gas diffusion layer (GDL) (18) . Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmaterial (4) auf eine temporäre Trägerfolie aufgetragen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode material (4) is applied to a temporary carrier film. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfläche in Form einer unstrukturierten Elektrodenschicht (10") gebildet ist, wobei das Material der unstrukturierten Elektrodenschicht (10") vorzugsweise keine Zusatzmaterialien (8) umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier surface is formed in the form of an unstructured electrode layer (10 "), the material of the unstructured electrode layer (10") preferably not comprising any additional materials (8). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Behandeln (44) des Elektrodenmaterials (4) die Entfernung des Zusatzmaterials (8) umfasst, wobei das Behandeln (44) des Elektrodenmaterials (4) vorzugsweise temperaturgesteuert und/oder mittels eines selektiven Löseverfahrens erfolgt.The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the treatment (44) of the electrode material (4) the Comprises removal of the additional material (8), the treatment (44) of the electrode material (4) preferably taking place in a temperature-controlled manner and / or by means of a selective dissolving process. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbinden (46) der strukturierten Elektrodenschicht (10') mit einer Membran (14) zur Herstellung einer Membranelektrodeneinheit (2) über das Verpressen der strukturierten Elektrodenschicht (10') mit einer Membranfolie erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the structured electrode layer (10 ') is connected (46) to a membrane (14) to produce a membrane electrode unit (2) by pressing the structured electrode layer (10') with a membrane film . Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Elektrodenschicht (10') vor einem Verbinden (46) mit einer Membran (14) zur Herstellung einer Membranelektrodeneinheit (2) mit einer lonomerschicht (24) überzogen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the structured electrode layer (10 ') is coated with an ionomer layer (24) before it is connected (46) to a membrane (14) to produce a membrane electrode unit (2). Membranelektrodeneinheit (2) für eine Brennstoffzelle, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend - eine erste und eine zweite Elektrodenschicht (10), - eine zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht (10) angeordnete Membran (14), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Elektrodenschichten (10) in Form einer strukturierten Elektrodenschicht (10') gebildet ist und eine Mehrzahl von an der Grenzfläche (GF) zwischen der Elektrodenschicht (10') und der Membran angeordnete Poren (22) zur Vergrößerung der Grenzfläche (GF) zwischen der strukturierten Elektrodenschicht (10') und der Membran (14) aufweist.Membrane electrode unit (2) for a fuel cell, in particular produced by a method according to one of the Claims 1 to 10 comprising - a first and a second electrode layer (10), - a membrane (14) arranged between the first and second electrode layer (10), characterized in that at least one of the electrode layers (10) is in the form of a structured electrode layer (10 ') is formed and has a plurality of pores (22) arranged at the interface (GF) between the electrode layer (10 ') and the membrane to enlarge the interface (GF) between the structured electrode layer (10') and the membrane (14).
DE102019214265.6A 2019-09-19 2019-09-19 Process for the production of an interface-optimized membrane electrode unit Withdrawn DE102019214265A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019214265.6A DE102019214265A1 (en) 2019-09-19 2019-09-19 Process for the production of an interface-optimized membrane electrode unit
PCT/EP2020/069400 WO2021052650A1 (en) 2019-09-19 2020-07-09 Method for producing an interface-optimized membrane electrode unit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019214265.6A DE102019214265A1 (en) 2019-09-19 2019-09-19 Process for the production of an interface-optimized membrane electrode unit

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102019214265A1 true DE102019214265A1 (en) 2021-03-25

Family

ID=71579595

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102019214265.6A Withdrawn DE102019214265A1 (en) 2019-09-19 2019-09-19 Process for the production of an interface-optimized membrane electrode unit

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102019214265A1 (en)
WO (1) WO2021052650A1 (en)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4740179B2 (en) * 2007-03-20 2011-08-03 株式会社東芝 Catalyst layer-supporting substrate manufacturing method, membrane electrode composite manufacturing method, and fuel cell manufacturing method
WO2010011851A1 (en) * 2008-07-23 2010-01-28 Cleveland State University An electrode, an electrochemical device and method thereof
JP4861445B2 (en) * 2009-03-19 2012-01-25 株式会社東芝 Method for producing catalyst layer-carrying substrate, catalyst layer-carrying substrate and fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021052650A1 (en) 2021-03-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112006002064B4 (en) Separator plate for a fuel cell and method for its production
DE102010027294B4 (en) Bipolar plate and method of making a bipolar plate
DE102016224927A1 (en) Method for producing a flow plate for a fuel cell
EP1982757A1 (en) Ion-permeable membrane and its manufacture
DE102008048632A1 (en) Nanotube assembly, bipolar plate and process for their preparation
DE102006047823A1 (en) Electrode for a molten carbonate fuel cell and process for its preparation
EP2129814B1 (en) Method for producing a catalyst layer
DE102018003424A1 (en) Improved catalyst coated membranes and fuel cell fabrication processes
DE3524604C2 (en)
DE112006002128T5 (en) Method for producing a tubular fuel cell
EP4222797A1 (en) Method for producing catalyst-coated membranes
WO2018114505A1 (en) Process for producing a fuel and/or electrolysis cell and fuel and/or electrolysis cell
WO2002084773A2 (en) Fuel cell
DE102019214265A1 (en) Process for the production of an interface-optimized membrane electrode unit
DE102010020166A1 (en) Nanostructured thin catalyst layer containing electrode and method of making the same
DE102018204605A1 (en) Gas distributor structure for a fuel cell
EP1643580B1 (en) Method for producing an electrolytic catalyst support, electrolytic catalyst support and electrochemical electrode
DE2139646C3 (en) Method of making a microporous septum
EP2744028A1 (en) Electrode for operating a fuel cell and method for its manufacture
DE102018204602A1 (en) Gas distributor structure for a fuel cell
WO2020052926A1 (en) Method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell
DE102013007199A1 (en) Membrane electrode arrangement for fuel cell, has proton exchange membrane, gas diffusion layer, and set of catalyst layers arranged between proton exchange membrane and gas diffusion layer, where catalyst layers comprises carbon nanotubes
WO2022152836A1 (en) Production method for a catalyst-coated three-dimensionally structured electrode
WO2018172073A1 (en) Pem membrane-electrode unit, pem cell, and process for manufacturing a pem membrane-electrode unit
DE102010052179A1 (en) Polymer electrolyte membrane for fuel cell for generating electric current, has projections formed at surfaces of membrane and comprising identical form and dimensions in spatial direction, where membrane is coated with catalyst layers

Legal Events

Date Code Title Description
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee