DE102021206220A1 - Zellverbund zum kontrollierten Leiten reaktiver Fluide - Google Patents

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Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft einen Zellverbund (100) zum kontrollierten Leiten reaktiver Fluide, wobei der Zellverbund (100) eine Membran (101) mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite umfasst, wobei auf der ersten Seite und der zweiten Seite jeweils eine Katalysatorschicht (103) und eine mikroporöse Schicht (105) angeordnet sind, wobei die mikroporöse Schicht (105) und/oder die Katalysatorschicht (103) wenigstens einer Seite derart profiliert ist, dass sich eine Oberflächenrauheit der Katalysatorschicht (103) von einer Oberflächenrauheit der mikroporösen Schicht (105) unterscheidet, sodass die Katalysatorschicht (103) und die mikroporöse Schicht (105) sich bereichsweise überlagern.

Description

  • Die vorgestellte Erfindung betrifft einen Zellverbund zum kontrollierten Leiten reaktiver Fluide, ein Herstellungsverfahren zur Herstellung des Zellverbunds, ein Brennstoffzellensystem und einen Elektrolyseur mit dem vorgestellten Zellverbund.
  • Stand der Technik
  • Brennstoffzellensysteme und Elektrolyseure umfassen i. d. R. Zellstapel von Zellverbünden verschiedener Einzelzellen, in denen reaktive Fluide geleitet werden, um im Falle eines Brennstoffzellensystems zusammen zu reagieren oder im Falle eines Elektrolyseurs getrennt voneinander abgeführt zu werden.
  • Jeder einzelne Zellverbund eines Zellstapels besteht aus einer Vielzahl verschiedener Schichten. Im Zentrum eines Zellverbunds ist stets eine semipermeable Trennschicht, z.B. eine Membran angeordnet, die auf zwei gegenüberliegenden Seiten von einer Katalysatorschicht umgeben ist. Diese Trennschicht kann eine ionenleitende Polymerschicht sein, die elektronisch trennend und durchlässig für Wasser ausgestaltet ist.
  • Da jeweilige Zellverbünde über makroskopische Gaskanäle in Bipolarplatten versorgt werden, wird als Vermittler zwischen den makroskopischen Gaskanälen und den mikroskopischen Strömungsbereichen eines Zellverbunds eine Gasdiffusionselektrode bestehend aus Faservlies und mikroporöser Schicht in Richtung Katalysatorschicht verwendet.
  • Eine Bipolarplatte umfasst ein Strömungsfeld, das bei einer Blechdicke von z. B. 0,1mm und gebogenen Kanälen fertigungstechnisch Stegbreiten von ca. 0,1 bis 0,2 mm hat, die voneinander in etwa 0,5 mm entfernt sind. Faservliese zeigen Maschenweiten im Bereich 0,05 bis 0,4 mm.
  • Katalysatorpartikel einer Katalysatorschicht zeigen eine Größe im Bereich kleiner 0,001mm.
  • Fertigungsbedingt wird i. d. R. ein erster Teilverbund aus Membran und Katalysatorschichten (Carbon Coated Membrane CCM) hergestellt und mit einem zweiten Teilverbund, der Gasdiffusionslage (GDL), bestehend aus Carbon-Backbone (GDB) und mikroporöser Schicht (MPL) zusammengelegt.
  • Für die Funktionen Stofftransport, elektrische Leitfähigkeit und Vermeidung von Hohlräumen, in denen sich Wasser ansammeln kann, muss ein inniger Verbund hergestellt werden, d.h. der erste Teilverbund muss mit dem zweiten Teilverbund innig verbunden werden. Dies kann vor dem Einlegen zwischen zwei Bipolarplatten beim Stapeln durch laminieren erfolgen oder auch bei einem Stapelvorgang durch Verpressen.
  • Die Katalysatorschicht ist i. d. R. relativ glatt und eben, insbesondere, wenn die Katalysatorschicht auf einer Transferfolie hergestellt und anschließend auf die Membran übertragen wurde, da dann die glatte Seite der Katalysatorschicht, die vorher auf der Transferfolie war, nach außen zeigt, was als sog. „Decal-Prozess“ bekannt ist.
  • Eine MPL-Auflage auf einer GDL ist in der Regel „wellig“, da Unebenheiten eines Faservlieses mit dessen großen Toleranzen nachgebildet werden, sodass beim Auflegen auf eine Membran kein flächiger Verbund erreicht werden kann. In MPL und Katalysatorschicht verwendeter Ruß ist in der Regel weitgehend identisch, sodass die MPL Oberfläche zwar wellig aber auch glatt ist. Ein Anpressen an die Membran ist vor einem Stapelvorgang kaum möglich, da das GDL Vlies unregelmäßig nachgibt. Beim Stapeln kann nur im Bereich jeweiliger Stege gedrückt werden, im Bereich jeweiliger Gaskanäle liegt der Verbund lose auf.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Zellverbund, ein Herstellungsverfahren, ein Brennstoffzellensystem und ein Elektrolyseur vorgestellt. 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 Zellverbund beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, dem erfindungsgemäßen Elektryolseur und dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
  • Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, einen robusten Zellverbund zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem bzw. einem Elektrolyseur bereitzustellen.
  • Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Zellverbund zum kontrollierten Leiten reaktiver Fluide vorgestellt. Der Zellverbund umfasst eine Membran mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite. Auf der ersten Seite und der zweiten Seite sind jeweils eine Katalysatorschicht und eine mikroporöse Schicht angeordnet, wobei die mikroporöse Schicht und/oder die Katalysatorschicht wenigstens einer Seite derart profiliert ist bzw. sind, dass sich eine Oberflächenrauheit der Katalysatorschicht von einer Oberflächenrauheit der mikroporösen Schicht unterscheidet, sodass die Katalysatorschicht und die mikroporöse Schicht sich bereichsweise überlagern.
  • Unter einer Katalysatorschicht ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Lage eines Zellverbunds zu verstehen, die ein Material umfasst, das eine Reaktionsenthalpie einer Reaktion von durch den Zellverbund strömenden Fluiden minimiert.
  • Unter einer mikroporösen Schicht ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Lage eines Zellverbunds zu verstehen, die Poren aufweist, durch die von einer Bipolarplatte in den Zellverbund geleitete Fluide in einem kontrollierten Massenstrom auf eine jeweilige Katalysatorschicht hin- oder weg-geleitet bzw. geführt werden.
  • Unter einer Profilierung bzw. einer profilierten Schicht ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Oberfläche einer Schicht zu verstehen, die eine Struktur aufweist, die in ihrer Höhenausprägung bereichsweise variiert, wie es bspw. von Reifenprofilen bekannt ist. Insbesondere kann eine profilierte Schicht ein Muster aufweisen, das erhöhte und flache Bereiche umfasst, sodass die erhöhten Bereiche in flache Bereiche einer weiteren Schicht eindringen können und umgekehrt.
  • Der vorgestellte Zellverbund basiert auf dem Prinzip, dass zumindest eine der Katalysatorschichten und der mikroporösen Schichten eines Zellverbunds profiliert ist, sodass sich eine Oberflächenrauheit der mikroporösen Schichten und eine Oberflächenrauheit der Katalysatorschichten des Zellverbunds unterscheidet. Die unterschiedlichen Oberflächenrauheiten bewirken, dass die verschiedenen Schichten, also die mikroporösen Schichten und die Katalysatorschichten eine Verbindung eingehen, bei der sich die kontaktierenden Schichten bereichsweise überlagern. Dies bedeutet, dass bspw. erhöhte Bereiche eines Profils einer Katalysatorschicht in flache Bereiche einer mikroporösen Schicht eindringen und umgekehrt.
  • Durch die erfindungsgemäß vorgesehene bereichsweise Überlagerung von Katalysatorschicht und mikroporöser Schicht wird eine gleichmäßige Anbindung der Katalysatorschicht und der mikroporösen Schicht erreicht, sodass ein durchgängiger und robuster Kontaktbereich entsteht, der eine Delamination zuverlässig verhindert. Insbesondere wird durch die unterschiedlichen Oberflächenrauheiten der verschiedenen Schichten des erfindungsgemäßen Zellverbunds eine maximierte Kontaktfläche zwischen den verschiedenen Schichten erreicht, die sich bspw. ineinander verzahnen.
  • Aufgrund der Verhinderung von Delaminationsprozessen durch die erfindungsgemäß vorgesehene Profilierung werden Alterungserscheinungen eines Zellstapels, wie bspw. eine Überlastung einzelner Zonen, verhindert und Verbesserungen bei der elektrischen Kontaktierung und der Wärmeabfuhr erreicht. Ferner werden Wasseransammlungen in schlecht verbundenen Zonen eines Zellverbunds vermieden. Entsprechend führt der erfindungsgemäße Zellverbund insbesondere in Brennstoffzellensystemen zu maximierten Stromdichten und entsprechend maximierten Leistungsdichten.
  • Weiterhin ermöglicht der erfindungsgemäße Zellverbund eine Minimierung einer in einem Zellstapel anliegenden Anpresskraft und eine dadurch bedingt vereinfachte Konstruktion sowie einen minimierten Bauraumbedarf und ein minimiertes Gewicht unter Verwendung eines kompakten bzw. gegenüber dem Stand der Technik reduzierten Verspannsystems.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die mikroporöse Schicht mittels eines Bindemittels gehärtet ist, sodass auf die mikroporöse Schicht einwirkende mechanische Kräfte sich gleichmäßig in der mikroporösen Schicht verteilen.
  • Mittels eines Bindemittels, das bei der Herstellung der erfindungsgemäß vorgesehenen mikroporösen Schicht verwendet wird, wie bspw. Polyvinylidenfluorid (PVDF), das dazu führt, dass die mikroporöse Schicht nicht, wie im Stand der Technik üblich bei Verwendung von duktilem PTFE, flexibel bleibt, sondern aushärtet bzw. starr wird, kann erreicht werden, dass auf die mikroporöse Schicht einwirkende mechanische Kräfte sich gleichmäßig in der mikroporösen Schicht verteilen. Entsprechend kann mittels einer starren mikroporösen Schicht eine Profilierung bereitgestellt werden, die auch bei einer Verpressung bzw. einem Laminierungsprozess erhalten bleibt und besonders effizient eine jeweils kontaktierte Schicht überlagert. Mit anderen Worten wird durch eine starre mikroporöse Schicht eine Verformung der Profilierung verhindert und eine mechanische Kraft, die bei einer Verpressung bereitgestellt wird, nicht lokal gedämpft, sondern gleichmäßig durch eine entsprechende Schicht geleitet, sodass die entsprechende Schicht besonders einfach bspw. mittels einer Profilwalze zu profilieren ist.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die mikroporöse Schicht auf einer Trägerschicht aufgebracht ist oder, insbesondere lediglich, durch das Bindemittel gehärtet ist.
  • Durch Verwendung einer Trägerschicht, wie bspw. einem Carbonflies, kann eine besonders dünne mikroporöse Schicht von bspw. 50µm Dicke bereitgestellt werden.
  • Durch Verwendung einer mikroporösen Schicht, die durch ein Bindemittel gehärtet ist, also ohne Trägerschicht hergestellt ist, kann eine sog. „freistehende mikroporöse Schicht“ bereitgestellt werden, die besonders einfach, bspw. durch Verwendung einer profilierten Decal-Folie oder durch Verwendung eines Profilierungswerkzeugs, wie bspw. einer Profilwalze, zu profilieren ist.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Bindemittel elektrisch leitende Komponenten und/oder mechanisch aussteifende Komponenten und/oder Hydrophobierungsmittel umfasst
  • Mittels eines Bindemittels, das elektrisch leitende Komponenten, wie bspw. Graphit oder Ruß umfasst, kann eine besonders effiziente elektrische Kontaktierung zwischen der mikroporösen Schicht und einer Katalysatorschicht erreicht werden.
  • Mittels mechanisch aussteifender Komponenten, wie bspw. Carbon-Kurzfasern oder Glascarbonpartikeln, kann eine besonders steife mikroporöse Schicht bereitgestellt werden, die eine bei einem Verpressungsprozess bereitgestellte mechanische Kraft besonders gleichmäßig innerhalb eines entsprechenden Zellverbunds verteilt. Insbesondere ermöglichen mechanisch aussteifende Komponenten in einer mikroporösen Schicht, die bspw. einem Giessprozess oder durch lösemittelarmes trocken gepresst oder extrudiert wird bzw. wurde, eine besonders gleichmäßig Schichtdicke, die besonders einfach, bspw. unter Verwendung einer Profilierungswalze, zu profilieren ist.
  • Mittels eines Hydrophobierungsmittels, wie bspw. Partikeln oder Fäden aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Silanen, kann ein akkumulieren von Wasser in einem Zellverbund und eine dadurch bedingte Delaminierung, insbesondere durch Wassereisbildung, minimiert werden.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass Komponenten eines die mikroporöse Schicht bildenden Materials größer oder kleiner sind als Komponenten eines die Katalysatorschicht bildenden Materials.
  • Durch unterschiedliche Komponenten in der mikroporösen Schicht und der Katalysatorschicht, die eine unterschiedliche Größe haben, kann eine unterschiedliche Profilierung, d.h. eine unterschiedliche Oberflächenrauheit der mikroporösen Schicht und der Katalysatorschicht erreicht werden, sodass sich die mikroporöse Schicht und die Katalysatorschicht besonders stark bzw. weit überlagern und eine innige Verbindung der mikroporösen Schicht und der Katalysatorschicht erreicht wird. Bspw. kann vorgesehen sein, dass die mikroporöse Schicht mit Graphitkomponenten und die Katalysatorschicht mit Rußkomponenten angereichert ist bzw. wird.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass wenigstens einige der Komponenten des die mikroporöse Schicht bildenden Materials um mindestens einen Faktor 2, bevorzugt mindestens einen Faktor 5, besonders bevorzugt mindestens einen Faktor 10 größer sind als die Komponenten des die Katalysatorschicht bildenden Materials.
  • Bspw. kann vorgesehen sein, dass die mikroporöse Schicht mit Graphitkomponenten größer einem Schwellenwert und die Katalysatorschicht mit Rußkomponenten kleiner einem Schwellenwert angereichert ist bzw. wird. Insbesondere kann der Schwellenwert 1µm sein.
  • Um ein Einbringen von besonders großen Komponenten, wie bspw. 5µm, bevorzugt 30µm großen Graphitpartikeln oder Graphitfasern mit Durchmessern zwischen 5µm und 10µm in die mikroporöse Schicht zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass die mikroporöse Schicht besonders dick, bspw. in einer Dicke zwischen 50µm und 250µm, bevorzugt zwischen 100µm und 200µm, besonders bevorzugt von 150µm ausgestaltet wird.
  • In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Zellverbunds. Das Herstellungsverfahren umfasst einen Anordnungsschritt zum Anordnen einer mikroporösen Schicht auf einer Katalysatorschicht einer Membran, wobei die mikroporöse Schicht und/oder die Katalysatorschicht wenigstens einer Seite derart profiliert ist, dass sich eine Oberflächenrauheit der Katalysatorschicht von einer Oberflächenrauheit der mikroporösen Schicht unterscheidet, sodass die Katalysatorschicht und die mikroporöse Schicht sich bereichsweise überlagern.
  • Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren dient insbesondere zur Herstellung des erfindungsgemäßen Zellverbunds.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren werden eine mikroporöse Schicht und eine Katalysatorschicht miteinander in Kontakt gebracht bzw. aneinander angeordnet. Dabei weist zumindest eine der mikroporösen Schicht und der Katalysatorschicht eine Profilierung auf, sodass eine innige Verbindung von Katalysatorschicht und mikroporöser Schicht entsteht, bei der sich die mikroporöse Schicht und die Katalysatorschicht bereichsweise überlagern bzw. ineinander eingreifen bzw. sich gegenseitig verzahnen.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Herstellungsverfahren einen Bereitstellungsschritt zum Bereitstellen eines die Katalysatorschicht bildenden Materials auf einer Folie, die eine Profilstruktur aufweist, und/oder einen Bereitstellungsschritt zum Bereitstellen eines die mikroporöse Schicht bildenden Materials auf einer Folie, die eine Profilstruktur aufweist, umfasst.
  • Zum Erzeugen einer Profilierung einer Schicht, wie bspw. einer mikroporösen Schicht oder einer Katalysatorschicht, kann die Schicht auf einer profilierten Folie, die bspw. ein Negativ eines Profils der Schicht aufweist, aufgebracht werden. Dazu kann ein die Schicht bildendes Material auf die Folie gepresst bzw. auf die Folie gegossen werden. Nach Abziehen der Schicht von der Folie bleibt eine profilierte Schicht, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren weiterverarbeitet werden kann.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Herstellungsverfahren einen Profilierungsschritt zum Profilieren der Katalysatorschicht und/oder der mikroporösen Schicht mittels eines Profilierungswerkzeugs, und/oder einen Profilierungsschritt zum Profilieren der mikroporösen Schicht durch Mischen eines die mikroporöse Schicht bildenden Materials unter Verwendung einer Komponente deren Körnung größer oder kleiner ist als die Körnung einer Komponente der Katalysatorschicht, umfasst.
  • Unter Verwendung eines Profilierungswerkzeugs, wie bspw. einer Profilwalze mit einem Muster, wie bspw. einem Rautenmuster, oder jedem weiteren technisch zum Erzeugen einer Profilierung geeigneten Profilierungswerkzeug, insbesondere einem Laser oder einem Stempel, kann eine makroskopische Profilierung erreicht werden, bei der sich besonders raue Oberflächen ergeben, die sich entsprechend weit überlagern und, dadurch bedingt, stark verzahnen lassen. Bspw. kann eine mikroporöse Schicht mit gleichmäßiger Schichtdicke von insbesondere 100µm mit Profilierungsmustern im Abstand von insbesondere 50µm bereitgestellt werden, sodass die Profilierungsmuster regelmäßig zusätzlich zu einer Grundrauheit besonders raue bzw. tiefe Kontaktpunkte bereitstellen, die eine besonders gute Verzahnung bzw. Überlagerung ermöglichen.
  • Unter Verwendung von Materialien unterschiedlicher Körnung kann eine mikroskopische Profilierung erreicht werden, bei der sich eine besonders weit verteilte Rauheit einer entsprechenden Oberfläche ergibt, sodass eine besonders große Kontaktfläche entsteht, in der sich jeweilige Schichten überlagern. Dabei können jeweilige Komponenten bspw. besonders große Partikel und/oder Fasern aufweisen, die bspw. 5µm, bevorzugt 30µm groß sein können und Durchmesser zwischen 5µm und 10µm aufweisen können. Entsprechend können jeweilige Komponenten zumindest tlw. aus einer Oberfläche herausragen und diese entsprechend „aufrauen“ bzw. strukturieren. Dabei kann eine Anzahl und Größenverteilung jeweiliger Komponenten derart gewählt werden, dass ein vorgegebener Anteil der Oberfläche von bspw. 25% durch jeweilige Komponenten gebildet wird, die über eine Basisfläche der Oberfläche überstehen.
  • In einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Zellverbunds.
  • In einem vierten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung einen Elektrolyseur mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Zellverbunds.
  • 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.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Zellverbunds,
    • 2 eine Detailansicht zweier Schichten des Zellverbunds gemäß 1,
    • 3 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
    • 4 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
    • 5 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Elektrolyseurs.
  • In 1 ist ein Zellverbund 100 dargestellt. Der Zellverbund umfasst eine Membran 101 mit einem Aufbau aus einer Katalysatorschicht 103, einer mikroporöse Schicht 105 und einer optionalen Trägerschicht 107 aus Carbonflies, die mit einer Bipolarplatte 109 in fluidleitendem Kontakt steht.
  • Der Aufbau auf der Membran 101 kann sich auf einer der Katalysatorschicht 103 gegenüberliegenden Seite wiederholen, sodass an der Membran 101 zwei Fluide zusammenkommen und miteinander reagieren bzw. getrennt abgeführt werden können.
  • Erfindungsgemäß sind die Katalysatorschicht 103 und die mikroporöse Schicht 105 innig Verbunden, indem sich die Katalysatorschicht 103 und die mikroporöse Schicht 105 in einem Bereich 111 überlagern.
  • Im Bereich 111 treten erhöhte Bereiche 113 einer Profilierung der mikroporösen Schicht 105 in flache Bereiche 115 der Katalysatorschicht 103 ein, wie es in 2 detailliert dargestellt ist. Die Profilierung kann bspw. ein 3D-Muster, insbesondere ein Rautenmuster sein, das bereichsweise oder vollflächig auf die Oberfläche der mikroporösen Schicht 105 aufgebracht wurde.
  • Ferner umfasst die mikroporöse Schicht 105 grobkörnige Partikel 117, die eine Oberflächenrauheit der mikroporösen Schicht 105 maximieren. Entsprechend treten auch die Partikel 117 in den Bereich 111 ein und sorgen für eine maximierte Kontaktfläche mit der Katalysatorschicht 103.
  • Durch die Überlagerung im Bereich 111 wird eine besonders große Kontaktfläche erzeugt, in der sich die Katalysatorschicht 103 und die mikroporöse Schicht 105 verzahnen. Entsprechend haften die Katalysatorschicht 103 und die mikroporöse Schicht 105 besonders stark aneinander und ein Abtrennen der Katalysatorschicht 103 von der mikroporösen Schicht 105 wird erschwert.
  • In 3 ist ein Herstellungsverfahren 300 dargestellt. Das Herstellungsverfahren umfasst einen Anordnungsschritt 301 zum Anordnen einer mikroporösen Schicht auf einer Katalysatorschicht einer Membran, wobei die mikroporöse Schicht und/oder die Katalysatorschicht derart profiliert ist, dass sich eine Oberflächenrauheit der Katalysatorschicht von einer Oberflächenrauheit der mikroporösen Schicht unterscheidet, sodass die Katalysatorschicht und die mikroporöse Schicht sich bereichsweise überlagern.
  • Optional umfasst das Herstellungsverfahren 300 einen Bereitstellungsschritt 303 zum Bereitstellen eines die Katalysatorschicht bildenden Materials auf einer Folie, die eine Profilstruktur aufweist, und/oder zum Bereitstellen eines die mikroporöse Schicht bildenden Materials auf einer Folie, die eine Profilstruktur aufweist.
  • Weiterhin optional umfasst das Herstellungsverfahren 300 einen Profilierungsschritt 305 zum Profilieren der Katalysatorschicht und/oder der mikroporösen Schicht mittels eines Profilierungswerkzeugs, und/oder zum Profilieren der mikroporösen Schicht durch Mischen eines die mikroporöse Schicht bildenden Materials unter Verwendung einer Komponente deren Körnung größer oder kleiner ist als die Körnung einer Komponente der Katalysatorschicht.
  • In 4 ist ein Brennstoffzellensystem 400 mit dem Zellverbund 100 gemäß 1 dargestellt.
  • Aufgrund des erfindungsgemäßen Zellverbunds 100 ist das Brennstoffzellensystem besonders langlebig und zeigt eine hohe Leistungsdichte.
  • In 5 ist ein Elektrolyseur 500 mit dem Zellverbund 100 gemäß 1 dargestellt.
  • Aufgrund des erfindungsgemäßen Zellverbunds 100 ist der Elektrolyseur 500 besonders langlebig und effizient.

Claims (12)

  1. Zellverbund (100) zum kontrollierten Leiten reaktiver Fluide, wobei der Zellverbund (100) eine Membran (101) mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite umfasst, wobei auf der ersten Seite und der zweiten Seite jeweils angeordnet sind: - eine Katalysatorschicht (103), - eine mikroporöse Schicht (105), wobei die mikroporöse Schicht (105) und/oder die Katalysatorschicht (103) wenigstens einer Seite derart profiliert ist, dass sich eine Oberflächenrauheit der Katalysatorschicht (103) von einer Oberflächenrauheit der mikroporösen Schicht (105) unterscheidet, sodass die Katalysatorschicht (103) und die mikroporöse Schicht (105) sich bereichsweise überlagern.
  2. Zellverbund (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroporöse Schicht (105) mittels eines Bindemittels gehärtet ist, sodass auf die mikroporöse Schicht (105) einwirkende mechanische Kräfte sich gleichmäßig in der mikroporösen Schicht (105) verteilen.
  3. Zellverbund (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroporöse Schicht (105) auf einer Trägerschicht (107) aufgebracht ist oder durch das Bindemittel gehärtet ist.
  4. Zellverbund (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel elektrisch leitende Komponenten und/oder mechanisch aussteifende Komponenten und/oder Hydrophobierungsmittel umfasst.
  5. Zellverbund (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Komponenten eines die mikroporöse Schicht (105) bildenden Materials zumindest teilweise größer oder kleiner sind als Komponenten eines die Katalysatorschicht (103) bildenden Materials.
  6. Zellverbund (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten des die mikroporöse Schicht (105) bildenden Materials um mindestens einen Faktor 2, bevorzugt mindestens einen Faktor 5, besonders bevorzugt mindestens einen Faktor 10 größer sind als die Komponenten des die Katalysatorschicht (103) bildenden Materials.
  7. Zellverbund (100) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten des die mikroporöse Schicht (105) bildenden Materials Graphit mit einer Körnung größer 1µm umfassen und die Komponenten des die Katalysatorschicht (103) bildenden Materials Ruß mit einer Körnung kleiner 1µm umfassen.
  8. Herstellungsverfahren (300) zum Herstellen eines Zellverbunds (100), wobei das Herstellungsverfahren (300) umfasst: - Anordnen (301) einer mikroporösen Schicht (105) auf einer Katalysatorschicht (103) einer Membran (101), wobei die mikroporöse Schicht (105) und/oder die Katalysatorschicht (103) wenigstens einer Seite derart profiliert ist bzw. sind, dass sich eine Oberflächenrauheit der Katalysatorschicht (103) von einer Oberflächenrauheit der mikroporösen Schicht (105) unterscheidet, sodass die Katalysatorschicht (103) und die mikroporöse Schicht (105) sich bereichsweise überlagern.
  9. Herstellungsverfahren (300) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellungsverfahren (300) umfasst: - Bereitstellen (303) eines die Katalysatorschicht (103) bildenden Materials auf einer Folie, die eine Profilstruktur aufweist, und/oder - Bereitstellen (303) eines die mikroporöse Schicht (105) bildenden Materials auf einer Folie, die eine Profilstruktur aufweist.
  10. Herstellungsverfahren (300) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellungsverfahren (300) umfasst: - Profilieren (305) der Katalysatorschicht (103) und/oder der mikroporösen Schicht (105) mittels eines Profilierungswerkzeugs, und/oder - Profilieren (305) der mikroporösen Schicht (105) durch Mischen eines die mikroporöse Schicht (105) bildenden Materials unter Verwendung einer Komponente deren Körnung größer oder kleiner ist als die Körnung einer Komponente der Katalysatorschicht (103).
  11. Brennstoffzellensystem (400) mit einem Zellverbund (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  12. Elektrolyseur (500) mit einem Zellverbund (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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