DE102022213722A1 - Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer Brennstoffzelle oder einer Elektrolysezelle, aufweisend eine zwischen zwei Gasdiffusionslagen (1, 2) angeordnete Membran (3). Erfindungsgemäß wird zur Ausbildung einer zwischen der Membran (3) und mindestens einer der beiden Gasdiffusionslagen (1, 2) angeordneten, lokal begrenzten Katalysatorschicht (4) ein Katalysatormaterial (5) auf die Membran (3) oder die mindestens eine Gasdiffusionslage (1, 2) aufgebracht, und zwar lokal begrenzt auf mindestens einen Randbereich- einer Kontaktfläche der Membran (3) mit der mindestens einen Gasdiffusionslage (1, 2) oder- einer Kontaktfläche der mindestens einen Gasdiffusionslage (1, 2) mit der Membran (3).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, beispielsweise einer Brennstoffzelle oder einer Elektrolysezelle.
  • Bevorzugter Anwendungsbereich sind Brennstoffzellenstapel oder Elektrolyseure. Bei dem Elektrolyseur kann es sich sowohl um einen PEM- als auch um einen AEM-Elektrolyseur handeln.
  • Stand der Technik
  • Den Kern einer elektrochemischen Zelle bildet eine protonendurchlässige Membran aus, die sogenannte Protonenaustauschmembran, oder einen anionendurchlässige Membran, die sogenannte Anionenaustauschmembran. Zur Ausbildung einer Kathode und einer Anode ist die Membran beidseits mit einem Katalysatormaterial beschichtet. An der mit Katalysatormaterial beschichteten Membran liegen beidseits jeweils eine Gasdiffusionslage sowie eine Bipolarplatte an. Bei der Bipolarplatte handelt es sich in der Regel um ein geprägtes Blech, das ein sich in Plattenebene erstreckendes Strömungsfeld für ein Reaktionsmedium der elektrochemischen Zelle ausbildet. Die zwischen den Bipolarplatten und der Membran angeordneten Gasdiffusionslagen weisen jeweils eine poröse Struktur auf, so dass das jeweilige Reaktionsmedium bis an die Membran herangeführt werden kann; Reaktionsmedien können beispielsweise Sauerstoff, Wasserstoff und/oder Wasser sein.
  • Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, den Materialeinsatz bei der Herstellung einer elektrochemischen Zelle zu reduzieren und damit die Herstellung resourcenschonender und kostengünstiger zu gestalten.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer Brennstoffzelle oder einer Elektrolysezelle, aufweisend eine zwischen zwei Gasdiffusionslagen angeordnete Membran. Erfindungsgemäß wird zur Ausbildung einer zwischen der Membran und mindestens einer der beiden Gasdiffusionslagen angeordneten, lokal begrenzten Katalysatorschicht ein Katalysatormaterial auf die Membran oder die mindestens eine Gasdiffusionslage aufgebracht, und zwar lokal begrenzt auf mindestens einen Randbereich
    • - einer Kontaktfläche der Membran mit der mindestens einen Gasdiffusionslage oder
    • - einer Kontaktfläche der mindestens einen Gasdiffusionslage mit der Membran.
  • Da die Katalysatorschicht nicht vollflächig aufgebracht wird, sondern lediglich in mindestens einem Randbereich einer Kontaktfläche zwischen der Membran und mindestens einer Gasdiffusionslage, reduziert sich die zur Ausbildung der Katalysatorschicht benötigte Menge an Katalysatormaterial deutlich. Das Katalysatormaterial kann dabei wahlweise auf die Membran oder auf mindestens eine der beiden Gasdiffusionslagen aufgebracht werden.
  • Wird das Katalysatormaterial auf mindestens eine der beiden Gasdiffusionslagen aufgebracht, ist der mindestens eine Randbereich einer Kontaktfläche der Gasdiffusionslage mit der Membran durch die Öffnungen der porösen Struktur der Gasdiffusionslage vorgegeben. Denn die Kontaktfläche endet jeweils an einer Öffnung, so dass der die Öffnung einfassende Bereich der Kontaktfläche einen Randbereich definiert.
  • Wird das Katalysatormaterial auf die Membran aufgebracht, muss die Kontaktfläche, insbesondere der mindestens eine Randbereich der Kontaktfläche, erst noch definiert werden.
  • Vorteilhafterweise wird daher das Katalysatormaterial auf mindestens eine der beiden Gasdiffusionslagen aufgebracht. Zur Maximierung der Materialersparnis wird vorzugsweise das Katalysatormaterial auf beide Gasdiffusionslagen lediglich lokal begrenzt aufgebracht.
  • Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Katalysatormaterial in Form eines Streifens auf die Membran oder die mindestens eine Gasdiffusionslage aufgebracht wird. Der Streifen gibt damit die Breite der Katalysatorschicht im Randbereich einer Kontaktfläche vor. Bevorzugt weist der Steifen eine Breite b < 10 µm auf. Der Streifen kann zumindest abschnittsweise gerade und/oder bogenförmig verlaufen. Wird er um eine Öffnung der porösen Struktur einer Gasdiffusionslage herum angeordnet, orientiert sich vorzugsweise der Verlauf des Streifens an der Form der Öffnung.
  • Bevorzugt wird vor dem Aufbringen des Katalysatormaterials die zu beschichtende Fläche der Membran oder der mindestens einen Gasdiffusionslage maskiert. Mit Hilfe der Maskierung bzw. Maske kann der zu beschichtende Bereich exakt vorgegeben werden. Das Maskieren kann beispielsweise mit Hilfe von Photolack oder Imprintlack vorgenommen werden. Katalysatormaterial, das später mit der Maske entfernt wird, kann gesammelt und wiederverwendet werden.
  • Ferner bevorzugt wird vor dem Aufbringen des Katalysatormaterials die zu beschichtende Fläche der Membran oder der mindestens einen Gasdiffusionslage mittels eines Lithographieverfahrens, beispielsweise mittels optischer Lithographie oder Imprint-Lithographie, definiert. Dieser Verfahrensschritt ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Kontaktfläche nicht durch Öffnungen der Membran oder der mindestens einen Gasdiffusionslage vorgegeben ist. Bei der Membran ist dies grundsätzlich der Fall. Bei der Gasdiffusionslage kann dies der Fall sein, wenn die Öffnungen für den Medientransport erst nachträglich eingebracht werden.
  • Vorteilhafterweise wird vor dem Aufbringen des Katalysatormaterials die zu beschichtende Fläche der Membran oder der mindestens einen Gasdiffusionslage gereinigt. Dadurch kann die Haftung der Katalysatorschicht auf der Membran bzw. der mindestens einen Gasdiffusionslage verbessert werden. Zugleich wird der elektrische Kontakt zwischen der Membran und der Gasdiffusionslage optimiert. Die Reinigung kann insbesondere das Entfernern einer Oxidschicht umfassen, beispielsweise durch lonensputtern, reaktives lonenätzen, chemische Reinigung und/oder Oxidentfernung im Bad. Die Oxidentfernung im Bad kann optional mit Ultraschall ausgeführt werden.
  • Bei der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens wird vorzugsweise mindestens ein metallisches Material, insbesondere Iridium, Ruthenium, Platin, Osmium und/oder hieraus gebildete Oxide, Nitride und/oder Karbide als Katalysatormaterial verwendet. Diese metallischen Materialien sind als Katalysatormaterial besonders gut geeignet.
  • Das Katalysatormaterial kann insbesondere in einem physikalischen Gasphasenabscheidungsprozess, einem chemischen Gasphasenabscheidungsprozess, einem Atomlagenabscheidungsprozess, einem Elektrodepositionsprozess und/oder mittels eines thermischen Verdampfers aufgebracht werden. Bevorzugt wird das Katalysatormaterial in einer Dicke d < 1000 nm, vorzugsweise d < 200 nm, auf die Membran oder die mindestens eine Gasdiffusionslage aufgebracht.
  • Wie bereits erwähnt, wird das Katalysatormaterial bevorzugt auf mindestens eine Gasdiffusionslage aufgebracht, da diese in der Regel eine poröse Struktur bzw. Öffnungen für den Medientransport aufweist, so dass hierüber der mindestens eine Randbereich einer Kontaktfläche mit der Membran vorgegeben ist. Das Katalysatormaterial wird dann um mindestens eine Öffnung herum angeordnet.
  • Eine Gasdiffusionslage muss jedoch nicht zwingend von vornherein eine poröse Struktur oder Öffnungen für den Medientransport aufweisen.
  • In diesem Fall wird vorgeschlagen, dass in die mindestens eine Gasdiffusionslage, vorzugsweise vor oder nach dem Aufbringen des Katalysatormaterials, Öffnungen für den Medientransport eingebracht werden, beispielsweise durch Stanzen, Bohren, insbesondere Laserbohren, und/oder Schneiden, insbesondere Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden. Der mindestens eine Randbereich der Kontaktfläche kann in diesem Fall vorab festgelegt werden, beispielsweise durch eine entsprechende Maskierung bzw. Maske, so dass hierüber zugleich die Position der Öffnungen vorgegeben ist. Der mindestens eine Randbereich der Kontaktfläche wird dann erst mit Einbringen der Öffnungen geschaffen.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass beim Einbringen der Öffnungen in die mindestens eine Gasdiffusionslage die Öffnungen einfassende Erhebungen ausgebildet werden, die den mindestens einen Randbereich der Kontaktfläche der Gasdiffusionslage mit der Membran definieren. Anschließend kann dann der mindestens eine Randbereich mit dem Katalysatormaterial beschichtet werden.
  • Das gezielte Einbringen von Erhebungen besitzt den Vorteil, dass das Aufbringen des Katalysatormaterials in einfacher Weise auf den Bereich der Erhebungen lokal begrenzt werden kann, beispielsweise durch Anlegen eines elektrischen Felds während eines Beschichtungsprozesses, durch Strahlabscheidung unter einem bestimmten Winkel, durch Beschichten in einem Schmelzbad mit definierter Eintauchtiefe oder durch Kolloidabscheidung unter einem elektrischen Feld.
  • Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine Gasdiffusionslage aus einem Blechband hergestellt wird. Dieses kann bereits eine poröse Struktur und/oder vordefinierte Öffnungen für den Medientransport aufweisen oder die Öffnungen werden erst noch in das Blechband eingebracht. Das Blechband kann von einer Rolle einer Anlage zum Beschichten der Gasdiffusionslage zugeführt werden. Ferner kann das Blechband verschiedenen Stationen der Anlage zugeführt werden, in denen die einzelnen Verfahrensschritte ausgeführt werden.
  • Die Herstellung der mindestens einen Gasdiffusionslage aus einem Blechband ermöglicht die Massenproduktion von Gasdiffusionslagen, insbesondere von Gasdiffusionslagen, die lokal begrenzt mit einem Katalysatormaterial beschichtet sind.
  • Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
    • 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Membran und zwei Gasdiffusionslagen vor dem Fügen,
    • 2 einen schematischen Längsschnitt durch die Membran und die Gasdiffusionslagen der 1 nach dem Fügen,
    • 3 eine Draufsicht auf eine maskierte Gasdiffusionslage mit regelmäßigen Öffnungen für den Medientransport,
    • 4 eine Draufsicht auf eine maskierte Gasdiffusionslage mit unregelmäßigen Öffnungen für den Medientransport,
    • 5 a) -c) jeweils einen Längsschnitt durch eine Gasdiffusionslage während ihrer Herstellung und
    • 6 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Der 1 ist eine zwischen zwei Gasdiffusionslagen 1, 2 angeordnete Membran 3 vor dem Fügen zu entnehmen. Die Gasdiffusionslagen 1, 2 weisen jeweils eine Vielzahl an Öffnungen 6 für den Medientransport auf. Die zwischen den Öffnungen 6 verbleibenden Flächen bilden nach dem Fügen Kontaktflächen mit der Membran 3 aus. Die Kontaktflächen weisen die Öffnungen 6 einfassende Randbereiche auf, die vorliegend mit einem Katalysatormaterial 5 beschichtet sind. Nach dem Fügen liegen die beschichteten Randbereiche an der Membran 3 an (siehe 2).
  • Wie beispielhaft in den 3 und 4 dargestellt, können die Gasdiffusionslagen 1, 2 regelmäßige Öffnungen 6 oder unregelmäßige Öffnungen 6 aufweisen. Die Bereiche zwischen den Öffnungen 6 bilden Kontaktflächen aus. Die Randbereiche der Kontaktflächen werden wiederum durch die Öffnungen 6 definiert. Dadurch, dass das Katalysatormaterial 5 nur in den Randbereichen aufgebracht wird, werden die Öffnungen 6 jeweils von einer streifenförmigen Katalysatorschicht 4 eingefasst.
  • Die Öffnungen 6 für den Medientransport können bereits in der Gasdiffusionslage 1 (2) vorhanden sein, beispielsweise aufgrund einer porösen Struktur der Gasdiffusionslage 1 (2), oder sie werden erst noch in die Gasdiffusionslage 1 (2) eingebracht. Ist letzteres der Fall, kann wie beispielhaft in der 5 dargestellt vorgegangen werden.
  • Die 5a) zeigt eine Gasdiffusionslage 1 (2) ohne Öffnungen 6. Die Öffnungen 6 werden durch Stanzen oder Schneiden erst noch in die Gasdiffusionslage 1 (2) eingebracht. Dabei werden die Randbereiche gezielt plastisch verformt, so dass um die Öffnungen 6 herum Erhebungen 8 ausgebildet werden (siehe 5b)). Die Erhebungen 8 definieren in diesem Fall die mit dem Katalysatormaterial 5 zu beschichtenden Randbereiche. Diese können selektiv beschichtet werden (siehe 5c)), beispielsweise durch Beschichten unter Verwendung eines elektrischen Felds, Beschichten unter einem flachen Winkel oder durch Tauchbeschichten mit einer Tauchtiefe kleiner als die Höhe der Erhebung.
  • Anhand der 6 wird nachfolgend ein bevorzugter Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, wobei das Katalysatormaterial 5 nicht auf einer Membran 3, sondern auf einer Gasdiffusionslage 1 (2) aufgebracht wird. Der 6 ist zu entnehmen, dass die Gasdiffusionslage 1 (2) in Form eines Blechbands 7 bereitgestellt wird, das auf eine Rolle 9 gewickelt ist und von der Rolle 9 einer Anlage 10 zugeführt wird. Die Anlage 10 umfasst mehrere Einzelkammern 11, in denen jeweils ein Verfahrensschritt ausgeführt wird. Alternativ können auch alle Verfahrensschritte in einer einzigen großen Kammer 12 ausgeführt werden.
  • In Schritt S1 wird auf das Blechband 7 eine Maske aufgebracht, beispielsweise in einem Rollverfahren. Zur Ausbildung der Maske kann insbesondere ein Photolack oder Imprintlack verwendet werden. Die Maske weist Öffnungen auf, die größer als im Blechband 7 ausgebildete Öffnungen 6 für den Medientransport sind. Zwischen der Maske und den Öffnungen 6 verbleibt demnach jeweils ein umlaufend gleich breiter Randstreifen bzw. Randbereich, der unmaskiert bleibt.
  • In Schritt S2 werden die mit Katalysatormaterial 5 zu beschichtenden Randbereiche definiert, beispielsweise durch optische Lithographie oder Imprint Lithographie. Optional können in Schritt S2 die Kanten der Randbereiche verrundet werden.
  • In Schritt S3 werden die mit Katalysatormaterial 5 zu beschichtenden Randbereiche gereinigt, beispielsweise durch Entfernen einer Oxidschicht. Dadurch kann die Haftung des aufzubringenden Katalysatormaterials 5 auf der Gasdiffusionslage 1 (2) verbessert werden.
  • In Schritt S4 werden die Randbereiche mit dem Katalysatormaterial 5 beschichtet, beispielsweise in einem physikalischen Gasphasenabscheidungsprozess, einem chemischen Gasphasenabscheidungsprozess, einem Atomlagenabscheidungsprozess, einem Elektrodepositionsprozess und/oder mittels eines thermischen Verdampfers.
  • In Schritt S5 wird die Maske entfernt und mit der Maske überschüssiges Katalysatormaterial 5. Das überschüssige Katalysatormaterial 5 kann gesammelt und wiederverwendet werden.
  • In Schritt 6 wird die Plattengeometrie und damit die Bauteilgeometrie der Gasdiffusionslage 1 (2) aus dem Blechband 7 erstellt, beispielsweise durch Stanzen oder Schneiden, insbesondere Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden.
  • Sofern ein Blechband 7 ohne Öffnungen 6 für den Medientransport verwendet wird, umfasst das Verfahren mindestens einen weiteren Verfahrensschritt, der vor oder nach dem Beschichten des Blechbands 7 mit dem Katalysatormaterial 5 ausgeführt werden kann und das Einbringen der Öffnungen 6 beinhaltet.
  • Soll das Katalysatormaterial 5 auf die Membran 3 aufgebracht werden kann analog vorgegangen werden, wobei allerdings keine Öffnungen 6 für den Medientransport in die Membran 3 eingebracht werden. Die zu beschichtenden Randbereiche werden dann mit Hilfe einer Maske und/oder mittels optischer Lithographie auf der Membran 3 definiert. Die Membran 3 kann dabei ebenfalls als Bandmaterial vorliegen, da von einer Rolle zugeführt wird.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer Brennstoffzelle oder einer Elektrolysezelle, aufweisend eine zwischen zwei Gasdiffusionslagen (1, 2) angeordnete Membran (3), dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung einer zwischen der Membran (3) und mindestens einer der beiden Gasdiffusionslagen (1, 2) angeordneten, lokal begrenzten Katalysatorschicht (4) ein Katalysatormaterial (5) auf die Membran (3) oder die mindestens eine Gasdiffusionslage (1, 2) aufgebracht wird, und zwar lokal begrenzt auf mindestens einen Randbereich - einer Kontaktfläche der Membran (3) mit der mindestens einen Gasdiffusionslage (1, 2) oder - einer Kontaktfläche der mindestens einen Gasdiffusionslage (1, 2) mit der Membran (3).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatormaterial (5) in Form eines Streifens auf die Membran (3) oder die mindestens eine Gasdiffusionslage (1, 2) aufgebracht wird, wobei vorzugsweise der Streifen eine Breite (b) < 10 µm aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen des Katalysatormaterials (5) die zu beschichtende Fläche der Membran (3) oder der mindestens einen Gasdiffusionslage (1, 2) maskiert wird, beispielsweise mit Hilfe von Photolack oder Imprintlack.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen des Katalysatormaterials (5) die zu beschichtende Fläche der Membran (3) oder der mindestens einen Gasdiffusionslage (1, 2) mittels eines Lithographieverfahrens, beispielsweise mittels optischer Lithographie oder Imprint-Lithographie, definiert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen des Katalysatormaterials (5) die zu beschichtende Fläche der Membran (3) oder der mindestens einen Gasdiffusionslage (1, 2) gereinigt, insbesondere von einer Oxidschicht befreit, wird, beispielsweise durch lonensputtern, reaktives lonenätzen, chemische Reinigung und/oder Oxidentfernung im Bad.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein metallisches Material, insbesondere Iridium, Ruthenium, Platin, Osmium und/oder hieraus gebildete Oxide, Nitride und/oder Karbide als Katalysatormaterial (5) verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatormaterial (5) in einem physikalischen Gasphasenabscheidungsprozess, einem chemischen Gasphasenabscheidungsprozess, einem Atomlagenabscheidungsprozess, einem Elektrodepositionsprozess und/oder mittels eines thermischen Verdampfers aufgebracht wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatormaterial (5) in einer Dicke (d) < 1000 nm, vorzugsweise (d) < 200 nm, auf die Membran (3) oder die mindestens eine Gasdiffusionslage (1, 2) aufgebracht wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die mindestens eine Gasdiffusionslage (1, 2), vorzugsweise vor oder nach dem Aufbringen des Katalysatormaterials (5), Öffnungen (6) für den Medientransport eingebracht werden, beispielsweise durch Stanzen, Bohren, insbesondere Laserbohren, und/oder Schneiden, insbesondere Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einbringen der Öffnungen (6) in die mindestens eine Gasdiffusionslage (1, 2) die Öffnungen (6) einfassende Erhebungen (8) ausgebildet werden, die den mindestens einen Randbereich der Kontaktfläche der Gasdiffusionslage (1, 2) mit der Membran (3) definieren.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Gasdiffusionslage (1, 2) aus einem Blechband (7) hergestellt wird.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3782026T2 (de) 1986-12-19 1993-02-18 Dow Chemical Co Zusammengesetzte membran/elektrode-struktur, die inseln aus katalytisch aktiven teilchen aufweist.
US20100285388A1 (en) 2007-05-18 2010-11-11 Sim Composites Inc. Catalyst-coated proton exchange membrane and process of producing same
US10826076B1 (en) 2017-08-08 2020-11-03 Triad National Security, Llc Patterned electrode catalyst
DE102020127463A1 (de) 2020-10-19 2022-04-21 Audi Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung eines funktionalisiert strukturierten Aufbaus für eine Brennstoffzelle und Membranelektrodenanordnung

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3782026T2 (de) 1986-12-19 1993-02-18 Dow Chemical Co Zusammengesetzte membran/elektrode-struktur, die inseln aus katalytisch aktiven teilchen aufweist.
US20100285388A1 (en) 2007-05-18 2010-11-11 Sim Composites Inc. Catalyst-coated proton exchange membrane and process of producing same
US10826076B1 (en) 2017-08-08 2020-11-03 Triad National Security, Llc Patterned electrode catalyst
DE102020127463A1 (de) 2020-10-19 2022-04-21 Audi Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung eines funktionalisiert strukturierten Aufbaus für eine Brennstoffzelle und Membranelektrodenanordnung

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