CH717791B1 - Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur und zugehöriges Bearbeitungsverfahren. - Google Patents

Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur und zugehöriges Bearbeitungsverfahren. Download PDF

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Xu Sheng
Xie Xuan
Chen Xin
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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur und ein zugehöriges Bearbeitungsverfahren bereit. An einer Kathodenoberfläche (2) der Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran sind mehrere Konvex-Konkav-Verbundtexturen mit von innen nach außen gradientartig zunehmenden Abstanden angeordnet. Die jeweilige Konvex-Konkav-Verbundtextur umfasst z.B. eine Einbuchtung, an deren Rande eine umlaufende Ausbuchtung vorgesehen ist, wobei die Oberfläche der Einbuchtung mehrere halbellipsoide Mikroeinbuchtungen aufweist, die gleichmäßig angeordnet sind. Nach den Abständen zwischen benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen ist die Kathodenoberfläche z.B. in einen zentralen Bereich (a) einen Zwischenbereich (b) und einen Außenumfangsbereich (c) unterteilt. In jedem der Bereiche nehmen die Abstände zwischen benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen von innen nach außen gradientartig zu. Mit der Konvex-Konkav-Verbundtextur der vorliegenden Erfindung kann die Fläche der Kathodenoberfläche der Protonenaustauschmembran effektiv vergrößert werden, was zu vollständigem Kontakt des Katalysators mit dem Reaktionsgas und somit zu erhöhter Reaktionseffizienz beiträgt. Des Weiteren kann somit ein rußgeträgerter Platinkatalysator stabil in einer derartigen Struktur eingelassen sein und die aktive Fläche des Katalysators vergrößert werden, was für erhöhten Ausnutzungsgrad des Katalysators sorgt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bearbeitung dieser Membran mittels Laser, sowie mittels zwei Stanzwerkzeugen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Brennstoffzellen, konkret eine Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur und ein zugehöriges Bearbeitungsverfahren.
STAND DER TECHNIK
[0002] Mit der Verschärfung des Problems der Umweltverschmutzung erregen Brennstoffzellen Aufmerksamkeit im In- und Ausland aufgrund des hohen Umwandlungswirkungsgrads und der Umweltfreundlichkeit. Als eine weit verbreitete Art von Brennstoffzellen zeichnen sich Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC) vorteilhafterweise u.a. durch hohen Energieumwandlungswirkungsgrad, hohe Betriebszuverlässigkeit, Umweltfreundlichkeit, wenige bewegliche Einzelteile und Geräuschfreiheit aus und werden somit als aussichtsreichste grüne Energieumwandlungseinrichtung zum Ersetzen herkömmlicher fossiler Energiequellen betrachtet.
[0003] Eine Membran-Elektrode stellt ein Kernbauteil einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle dar und eine Protonenaustauschmembran ist wiederum ein Kernbestandteil einer Membran-Elektrode und dient zum Leiten von Protonen, Trennen von Wasserstoff und Sauerstoff und Verhindern einer Vermischung und einer Reaktion von Gasen zwischen einem Kathodenkanal und einem Anodenkanal. Des Weiteren findet eine katalytische Reaktion an zwei Oberflächen der Protonenaustauschmembran, die in direktem Kontakt mit einem Katalysator stehen, statt. Daher muss die Protonenaustauschmembran u.a. hohe chemische Stabilität, hohe Protonen-Leitfähigkeit, gute Dichtigkeit und hohe mechanische Festigkeit aufweisen.
[0004] Die Protonenaustauschmembran befindet sich zwischen einer Anoden- und einer Kathoden-Katalysatorschicht und steht in direktem Kontakt mit dem Katalysator. Ihre Mikromorphologie übt einen wichtigen Einfluss auf u.a. den Katalysator-Ausnutzungsgrad, die elektrische Leitfähigkeit und die Leitfähigkeit von Protonen aus. Mit der eingehenden Forschung über die Protonenaustauschmembran sind strukturierte Membranen bereits zu einem Schwerpunkt der gegenwärtigen Forschung geworden. Mit einer strukturierten Membran kann die Oberfläche der Protonenaustauschmembran erheblich vergrößert werden und bei einer auf die Katalysatorgröße abgestimmten Mustergröße wird der Ausnutzungsgrad des Katalysators wesentlich erhöht und die Reaktionsgeschwindigkeit beschleunigt. Eine strukturierte Membran zeichnet sich ferner vorteilhafterweise durch erhöhte Protonen-Leitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit sowie reduzierte Impedanz und verringerte Dicke der Membran aus. Mit einer strukturierten Protonenaustauschmembran können verschiedene Fähigkeiten der Protonenaustauschmembran erheblich verbessert werden.
[0005] Gleichzeitig wird mit dem Betrieb der Zelle ständig Wasser kathodenseitig bei der Protonenaustauschmembran erzeugt. Wenn Wasser nicht rechtzeitig abgeführt wird, tritt dann eine Überflutung auf, in welchem Fall die Oberfläche der Membran mit Wasser bedeckt ist, wodurch die Reaktion verhindert und somit die Reaktionseffizienz der Zelle reduziert wird. Bei Wassermangel wird jedoch eine Reduzierung der Protonen-Leitfähigkeit verursacht, was zu verschlechterter Leistungsfähigkeit der Zelle führt. Daher soll eine Protonenaustauschmembran in der Lage sein, die Wasserverwaltung zu optimieren.
[0006] Zurzeit wird bei Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen grundsätzlich das Edelmetall Platin als aktive Komponente des Katalysators verwendet und durch den sehr hohen Preis des Metalls Platin wird der Forschungsfortschritt für Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen wesentlich beeinträchtigt. Daher üben das Erhöhen des Ausnutzungsgrads des Katalysators und das Forschen über eine Protonenaustauschmembran mit einer sehr geringen Platinbeladung einen wichtigen Einfluss auf die Entwicklung der Protonenaustauschmembran aus. Durch Erhöhen der Ausnutzungsgrads des Katalysators können nicht nur die Platinbeladung und somit die Kosten der Protonenaustauschmembran reduziert, sondern auch die Reaktionseffizienz und somit die Leistungsfähigkeit der Zelle wesentlich erhöht werden.
[0007] Mit der Forschung über strukturierte Protonenaustauschmembran haben zahlreiche Forscher durch Ändern der Mikrostruktur der Membranoberfläche Protonenaustauschmembranen erhalten, die sich vorteilhafterweise u.a. durch sehr geringe Platinbeladung, hohen Ausnutzungsgrad des Katalysators, hohe Protonen-Leitfähigkeit, große Dreiphasen-Reaktionsoberfläche und niedrige Kosten auszeichnen. Aus einer chinesischen Patentschrift ist ein Verfahren zum Ändern der Mikrostruktur der Grenzfläche Elektrolytmembran-Elektrode durch Aufsprühen einer Beschichtung aus einem Polymer-Elektrolyt auf zwei Seiten einer Protonenaustauschmembran bekannt. Beim Herstellen einer Elektrode wird u.a. mittels Unterdruck und durch Anlegen eines externen elektrischen Felds eine gezielte Anordnung der Schlüsselkomponente der Elektrode entlang ein und derselben Richtung bewirkt, womit die Dreiphasen-Reaktionsoberfläche vergrößert und der Ausnutzungsgrad des Katalysators erhöht wird. Aus einer chinesischen Patentschrift ist eine Aktivierungsbehandlung eines Rußträgers (XC-72) in einer CO2-Atmosphäre vor der Verwendung bekannt, die konkret die folgenden Schritte umfasst: (1) Erwärmen eines Rußträgers (XC-72) in einer fließenden CO2-Atmosphäre auf 350°C bis 900°C zur Aktivierungsbehandlung für 1 bis 12 Stunden und (2) Beladen des in dem vorstehenden Schritt aktivierten Rußträgers mit Pt mittels eines Abscheidungsverfahrens, womit ein Pt/C-Katalysator erhalten wird. Ein mit dem Pt/C-Katalysator nach dieser Patentschrift hergestellter Elektrodenkatalysator für Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen zeichnet sich durch eine sehr hohe elektrokatalytische Aktivität aus. Die vorstehenden Patentschriften tragen zum Vergrößern der Dreiphasen-Reaktionsoberfläche und zum Erhöhen des Ausnutzungsgrads des Katalysators bei, benötigen jedoch eine übermäßig komplizierte Bedienung und sind zeitaufwendig, was für gewerbliche Serienproduktion nicht zweckmäßig ist.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
[0008] Angesichts der Nachteile im Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur und ein zugehöriges Bearbeitungsverfahren bereitzustellen, wobei durch Versehen der Kathodenoberfläche einer Protonenaustauschmembran mit einer Konvex-Konkav-Verbundtextur eine strukturierte Membran mit einer Konvex-Konkav-Verbundtextur gebildet wird. Somit kann nicht nur die Fläche der Kathodenoberfläche der Protonenaustauschmembran vergrößert, sondern auch ein Kohlenstoff-basiertes Material in eine größere Einbuchtungsstruktur eingebettet und ein Platin-basiertes Material in das Kohlenstoff-basierte Material eingebettet und in eine kleinere Mikroeinbuchtung angeordnet werden, sodass ein rußgeträgerter Platinkatalystator stabil an der Oberfläche der Membran anhaftet und somit die aktive Fläche des Katalysators vergrößert wird, um den Ausnutzungsgrad des Katalysators zu erhöhen. Gleichzeitig sind die Konvex-Konkav-Verbundtexturen mit von innen nach außen gradientartig zunehmenden Abständen an der Oberfläche der Membran angeordnet, was für vollständigere und effizientere Reaktion sorgen kann. Des Weiteren können solche Konvex-Konkav-Verbundtexturen ferner zum Optimieren der Wasserverwaltung dienen. Die vorliegende Erfindung zeichnet sich durch einfache Bearbeitung und Herstellung aus und eignet sich für gewerbliche Produktion.
[0009] Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch die Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran gemäß Anspruch 1. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausführungen sowie Verfahren zur Bearbeitung an.
[0010] Die vorliegende Erfindung zeichnet sich durch die folgenden vorteilhaften Auswirkungen aus: 1. Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur sind an der Kathodenoberfläche der Protonenaustauschmembran Konvex-Konkav-Verbundtexturen ausgebildet, womit die Dreiphasen-Reaktionsoberfläche erheblich vergrößert, der Ausnutzungsgrad des Katalysators erhöht und die Reaktionseffizienz verbessert wird. 2. Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur kann durch die Konvex-Konkav-Verbundtexturen ein rußgeträgerter Platinkatalystator in einer derartigen Struktur eingelassen sein und somit seine katalytisch aktive Fläche effektiv erhöht werden, was für das Erhöhen des Ausnutzungsgrads des Katalysators zweckmäßig ist. 3. Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur wird eine Anpassung an die gradientartige Verteilung des Katalysators erreicht. Eine vollständigere und effizientere katalytische Reaktion wird ermöglicht, indem vorzugsweise drei Bereiche mit verschiedenen Abständen zwischen den Konvex-Konkav-Verbundtexturen vorgesehen sind und in jedem der Bereiche die Abstände zwischen zwei benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen von innen nach außen gradientartig zunehmen. 4. Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur können die Konvex-Konkav-Verbundtexturen bis zu einem gewissen Grad zur Wasserspeicherung dienen und bei einer Veränderung des dynamischen Gleichgewichts von Wasser kann eine derartige Struktur bis zu einem gewissen Grad zum Abmildern der Veränderung dienen, womit das Problem der Wasserverwaltung gemildert wird. 5. Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur können einige ihrer Eigenschaften allein durch Ändern der Mikromorphologie der Protonenaustauschmembran verbessert werden, was für verringerte Dicke und reduziertes Gewicht der Membran sorgt. 6. Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur kann eine unregelmäßige Bewegung der katalytischen Partikel effektiv durch erste Ausbuchtungen und zweite Mikroausbuchtungen verhindert werden, wobei durch die Kopplung der Ausbuchtungen und der Einbuchtungen die katalytischen Partikel gezwungen werden können, in dem untersten Bereich der Struktur eingelassen zu sein, womit die katalytischen Partikel geregelt werden und ihre katalytisch aktive Fläche effektiv erhöht wird, was für das Erhöhen des Ausnutzungsgrads des Katalysators und der Effizienz der elektrokatalytischen Reaktion und für das Verbessern der Leistung der Kraftstoffzelle zweckmäßig ist. 7. Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur können die Mikroeinbuchtungen als geschlossene gebogene Fläche ausgebildet sein, die als Mikrowasserspeicher dienen kann, womit die Wasserverwaltung optimiert werden kann. 8. Das Verfahren zur Bearbeitung einer Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur zeichnet sich durch einen einfachen Bearbeitungsvorgang aus und allein durch Vorsehen einer Konvex-Konkav-Verbundtextur an der Kathodenoberfläche der Protonenaustauschmembran wird die Dreiphasen-Reaktionsoberfläche erheblich vergrößert. Dank der guten Umsetzbarkeit wird eine gewerbliche Großserienproduktion verwirklicht.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0011] Darin zeigen Figur 1 eine dreidimensionale Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels für die Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur nach der vorliegenden Erfindung, Figur 2 eine Draufsicht des ersten Ausführungsbeispiels, Figur 3 die Unterteilung der drei Bereiche mit verschiedenen Abständen nach dem ersten Ausführungsbeispiel, Figur 4 eine dreidimensionale Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels für die Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur nach der vorliegenden Erfindung, Figur 5 eine Draufsicht des zweiten Ausführungsbeispiels, Figur 6 die Unterteilung der drei Bereiche mit verschiedenen Abständen nach dem zweiten Ausführungsbeispiel, Figur 7 eine Schnittansicht der Konvex-Konkav-Verbundtextur, Figur 8 eine vergrößerte schematische Darstellung der Stelle gemäß Figur 7, Figur 9 einen Vergleich zwischen der Polarisationskurve im Stand der Technik und der Polarisationskurve gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, Figur 10 eine dreidimensionale Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels für die Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur nach der vorliegenden Erfindung, Figur 11 eine Draufsicht des dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, Figur 12 eine dreidimensionale Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels für die Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur nach der vorliegenden Erfindung, Figur 13 eine Draufsicht des vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, Figur 14 eine vergrößerte schematische Darstellung der Konvex-Konkav-Verbundtextur an der Stelle I, Figur 15 eine Querschnittansicht der Konvex-Konkav-Verbundtextur des dritten und vierten Ausführungsbeispiels, Figur 16 eine Ausschnittsvergrößerung der Figur 15, Figur 17 einen Vergleich zwischen der Polarisationskurve einer plattenförmigen Membran im Stand der Technik und der Polarisationskurve gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel und dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, Figur 18 einen Vergleich zwischen der Stromdichte einer plattenförmigen Membran im Stand der Technik und der Stromdichte der Kathodenoberfläche der Protonenaustauschmembran gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei einer Spannung von 0,4 V, Figur 19 einen Vergleich zwischen dem Wassermassenanteil einer plattenförmigen Membran im Stand der Technik und dem Wassermassenanteil der Kathodenoberfläche der Protonenaustauschmembran gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei einer Spannung von 0,7 V, Figur 20 einen Vergleich zwischen dem O2-Massenanteil einer plattenförmigen Membran im Stand der Technik und dem O2-Massenanteil der Kathodenoberfläche der Protonenaustauschmembran gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei einer Spannung von 0,7 V.
[0012] Darin stehen 1 für Protonenaustauschmembran, 2 für Kathodenoberfläche, 3 für Konvex-Konkav-Verbundtextur, 4 für Einbuchtung, 5 für Ausbuchtung, 6 für halbellipsoide Mikroeinbuchtung, 7 für erste Ausbuchtung, 8 für Mikroeinbuchtung, 9 für zweite Mikroausbuchtung, a für zentralen Bereich, b für Zwischenbereich und c für Außenumfangsbereich.
KONKRETE AUSFÜHRUNGSFORMEN
[0013] Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen anhand konkreter Ausführungsbeispiele näher beschrieben, worauf der Schutzumfang der Erfindung keineswegs eingeschränkt wird.
[0014] Nachfolgend wird auf Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher eingegangen, deren Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind. Dabei stehen gleiche oder ähnliche Bezugszeichen stets für gleiche oder ähnliche Elemente oder Elemente mit gleichen oder ähnlichen Funktionen. Die nachstehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand beiliegender Zeichnungen ist beispielhaft und dient lediglich zur Erläuterung der Erfindung, wobei hierbei keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung vorliegt.
[0015] Es versteht sich in der Beschreibung der vorliegenden Erfindung, dass die Begriffe „mittig“, „Längsrichtung“, „Querrichtung“, „Länge“, „Breite“, „Dicke“, „oben“, „unten“, „axial“, „radial“, „vertikal“, „horizontal“, „oberste“, „unterste“, „innen“, „außen“ usw. jeweils in Bezug auf die Darstellung in der jeweiligen Abbildung verwendet werden, um lediglich die Erfindung zu schildern und ggf. die Schilderung zu vereinfachen. Mit anderen Worten wird mit diesen Begriffen weder im- noch explizit auf die Positionierung sowie die Ausgestaltung und Bedienung der betreffenden Vorrichtung oder des betreffenden Elements in einer vorbestimmten Positionierung hingedeutet, so dass auch hier keine Einschränkung der Erfindung vorliegt. Des Weiteren ist darauf hinzuweisen, dass die Begriffe „erste“ und „zweite“ nicht als im- oder expliziter Hinweis auf die relative Wichtigkeit oder auf die Anzahl des betroffenen Merkmals verstanden werden sollen. Stattdessen dienen diese lediglich der Beschreibung. Somit kann ein mit „erst“ oder „zweit“ genauer bestimmtes Merkmal explizit oder implizit darauf hinweisen, dass die Anzahl des enthaltenen Merkmals bei eins oder mehr liegt. In der Beschreibung der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff „mehrere“ auf eine Anzahl von zwei oder mehr, sofern nicht anders angegeben.
[0016] Bei der vorliegenden Erfindung sollen die Begriffe „anbringen“, „miteinander verbunden“, „verbinden“, „befestigen“ o. dgl., soweit nicht ausdrücklich anders angegeben, im weiteren Sinne verstanden werden. So kann es sich dabei z.B. sowohl um eine feste, eine lösbare oder eine einteilige Verbindung als auch um eine mechanische und auch eine elektrische Verbindung handeln. Zudem sind auch direkte Verbindungen, indirekte bzw. über ein Zwischenstück hergestellte Verbindungen wie auch innere Verbindungen zweier Elemente denkbar. Als durchschnittliche Fachleute auf diesem Gebiet kann man von der Sachlage ausgehen, um zu ermitteln, welche Bedeutung die genannten Begriffe gemäß der vorliegenden Erfindung haben sollen.
Erstes Ausführungsbeispiel
[0017] Wie aus Figur 1, 2 und 3 zu entnehmen ist, ist bei der Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur vorgesehen, dass die Protonenaustauschmembran 1 eine Nafion-Protonenaustauschmembran mit einer Länge von 50 mm, einer Breite von 50 mm und einer Dicke von 150 µm ist. An einer Kathodenoberfläche 2 der Protonenaustauschmembran sind mehrere Blütenblatt-förmige Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 mit von innen nach außen gradientartig zunehmenden Abständen angeordnet. Die Konvex-Konkav-Verbundtextur 3 umfasst eine Einbuchtung 4 und eine Ausbuchtung 5. Am Rande der Einbuchtung 4 ist eine umlaufende Ausbuchtung 5 vorgesehen. An der inneren Oberfläche der Einbuchtung 4 sind mehrere halbellipsoide Mikroeinbuchtungen 6 gleichmäßig angeordnet. Die Einbuchtung 4 kann eine halbellipsoide Einbuchtung sein. Die Einbuchtung 4 kann auch ein rundes Loch sein, dessen unterster Bereich eine tangential zu der zylindrischen Fläche des runden Loches verlaufende halbkugelförmige Fläche ist. Die Ausbuchtung 5 kann eine halbellipsoide Ausbuchtung sein. Die Ausbuchtung 5 kann auch ein Zylinder sein, dessen oberster Bereich eine tangential zu der zylindrischen Fläche verlaufende Halbkugel ist. Die mehreren Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 sind ringförmig an der Kathodenoberfläche 2 angeordnet. Nach den Abständen zwischen benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 ist die Kathodenoberfläche 2 in einen zentralen Bereich a, einen Zwischenbereich b und einen Außenumfangsbereich c unterteilt. In jedem der Bereiche nehmen die Abstände zwischen benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 von innen nach außen gradientartig zu, wie sich aus Figur 2 ergibt. Durch solche Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 kann die Dreiphasen-Reaktionsoberfläche erheblich vergrößert, die aktive Fläche des rußgeträgerten Platinkatalystators erhöht und der Ausnutzungsgrad des Katalysator effektiv verbessert werden. Des Weiteren kann somit bis zu einem gewissen Grad Wasser gespeichert werden und bei einer Veränderung des dynamischen Gleichgewichts von Wasser kann eine derartige Struktur bis zu einem gewissen Grad zum Abmildern der Veränderung dienen und somit zum Optimieren der Wasserverwaltung beitragen.
[0018] Wie sich aus Figur 7 und 8 ergibt, liegen in dem zentralen Bereich a die Abstände S1zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 bei 80 bis 250 µm, wobei in dem Zwischenbereich b die Abstände S2zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 bei 250 bis 400 µm liegen, und wobei in dem Außenumfangsbereich c die Abstände S3zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 bei 450 bis 550 µm liegen. Der Radius R der Einbuchtung 4 liegt bei 100 µm und die Tiefe H der Einbuchtung 4 beträgt 100 µm, während der Radius r der Ausbuchtung 5 bei 40 µm und die Tiefe h1der Ausbuchtung 5 bei 40 µm liegt. Die mehreren Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 machen 58,2% der Gesamtfläche der Kathodenoberfläche 2 aus. Die Innenoberfläche der Einbuchtung 4 ist in fünf parallele Schichten unterteilt und an jeder der parallelen Schichten sind in Umfangsrichtung jeweils mehrere halbellipsoide Mikroeinbuchtungen 6 angeordnet. Die Kreismittelpunkte der halbellipsoiden Mikroeinbuchtungen 6 benachbarter paralleler Schichten schließen einen Winkel von 20° in Bezug auf den Kreismittelpunkt der Einbuchtung 4 ein. Die Hauptachse der halbellipsoiden Mikroeinbuchtung 6 weist eine Länge von 8 µm auf und die Nebenachse der halbellipsoiden Mikroeinbuchtung 6 hat eine Länge von 6 µm. Die Tiefe h2der halbellipsoiden Mikroeinbuchtung 6 liegt bei 6 µm. Der Abstand zwischen den benachbarten halbellipsoiden Mikroeinbuchtungen 6 benachbarter Schichten liegt bei 6 µm.
[0019] Bei dem Verfahren zur Bearbeitung der Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur nach dem ersten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein direktes Laserbearbeitungsverfahren, bei dem die Kathodenoberfläche 2 unmittelbar mittels Laser bearbeitet wird, um eine lokale Vergasung der Kathodenoberfläche 2 zu bewirken und somit mehrere Blütenblatt-förmige Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 zu bilden. Die Laserbearbeitung erfolgt konkret mit den folgenden Parametern: Divergenzwinkel von geringer als 0,5 mrad, Ausgangs-Strahlqualität M = 1, Lichtfleck-Durchmesser von nicht größer als 3 mm, Wellenlänge von 1064 nm, Leistung von 15W, Einzelpulsenergie von 80 µJ, Pulsweite von 80 ps und Wiederholfrequenz von 10 MHz. Nach Abschluss der Bearbeitung erfolgt ein Entgraten mithilfe einer Ultraschallreinigung, einer Glimmreinigung oder einer Sputter-Reinigung, womit eine Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur erhalten wird.
Zweites Ausführungsbeispiel
[0020] Wie aus Figur 4, 5 und 6 zu entnehmen ist, ist bei der Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur vorgesehen, dass die Protonenaustauschmembran 1 eine Nafion-Protonenaustauschmembran mit einer Länge von 50 mm, einer Breite von 50 mm und einer Dicke von 150 µm ist. An einer Kathodenoberfläche 2 der Protonenaustauschmembran sind mehrere Blütenblatt-förmige Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 mit von innen nach außen gradientartig zunehmenden Abständen angeordnet. Die Konvex-Konkav-Verbundtextur 3 umfasst eine Einbuchtung 4 und eine Ausbuchtung 5. Am Rande der Einbuchtung 4 ist eine umlaufende Ausbuchtung 5 vorgesehen. An der inneren Oberfläche der Einbuchtung 4 sind mehrere halbellipsoide Mikroeinbuchtungen 6 gleichmäßig angeordnet. Die Einbuchtung 4 kann eine halbellipsoide Einbuchtung sein. Die Einbuchtung 4 kann auch ein rundes Loch sein, dessen unterster Bereich eine tangential zu der zylindrischen Fläche des runden Loches verlaufende halbkugelförmige Fläche ist. Die mehreren Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 sind rechteckig an der Kathodenoberfläche 2 angeordnet. Nach den Abständen zwischen benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 ist die Kathodenoberfläche 2 in einen zentralen Bereich a, einen Zwischenbereich b und einen Außenumfangsbereich c unterteilt. In jedem der Bereiche nehmen die Abstände zwischen benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 von innen nach außen gradientartig zu. In dem zentralen Bereich a liegen die Abstände S1zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 bei 70 bis 200 µm. In dem Zwischenbereich b liegen die Abstände S2zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 bei 200 bis 360 µm. In dem Außenumfangsbereich c liegen die Abstände S3zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 bei 400 bis 560 µm. Der Radius R der Einbuchtung 4 liegt bei 120 µm und die Tiefe H der Einbuchtung 4 beträgt 120 µm, während der Radius r der Ausbuchtung 5 bei 50 µm und die Tiefe h1der Ausbuchtung 5 bei 50 µm liegt. Die mehreren Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 machen 54% der Gesamtfläche der Kathodenoberfläche 2 aus. Die Innenoberfläche der Einbuchtung 4 ist in fünf parallele Schichten unterteilt und an jeder der parallelen Schichten sind in Umfangsrichtung jeweils mehrere halbellipsoide Mikroeinbuchtungen 6 angeordnet. Die Kreismittelpunkte der halbellipsoiden Mikroeinbuchtungen 6 benachbarter paralleler Schichten schließen einen Winkel von 20° in Bezug auf den Kreismittelpunkt der Einbuchtung 4 ein. Die Hauptachse der halbellipsoiden Mikroeinbuchtung 6 weist eine Länge von 8 µm auf und die Nebenachse der halbellipsoiden Mikroeinbuchtung 6 hat eine Länge von 6 µm. Die Tiefe h2der halbellipsoiden Mikroeinbuchtung 6 liegt bei 6 µm. Der Abstand zwischen den benachbarten halbellipsoiden Mikroeinbuchtungen 6 benachbarter Schichten liegt bei 6 µm.
[0021] Das Verfahren zur Bearbeitung der Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur nach dem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst die folgenden Schritte: Bearbeiten eines ersten Stanzwerkzeugs mit einer Einbuchtung 4 und einer Ausbuchtung 5 mittels eines Plasmaätzverfahrens oder mittels Ultrakurzpulslaser und Entgraten des ersten Stanzwerkzeugs mithilfe einer Ultraschallreinigung oder einer Glimmreinigung, Bearbeiten einer Einbuchtung 4 und einer Ausbuchtung 5 an der Kathodenoberfläche 2 mittels des ersten Stanzwerkzeugs, Bearbeiten eines zweiten Stanzwerkzeugs mit einer halbellipsoiden Mikroeinbuchtung 6 mittels eines Plasmaätzverfahrens oder mittels Ultrakurzpulslaser und Entgraten des zweiten Stanzwerkzeugs mithilfe einer Ultraschallreinigung oder einer Glimmreinigung, Bearbeiten einer halbellipsoiden Mikroeinbuchtung 6 an der Kathodenoberfläche 2 mittels des zweiten Stanzwerkzeugs.
[0022] Figur 9 zeigt einen Vergleich zwischen der Polarisationskurve einer plattenförmigen Membran im Stand der Technik und der Polarisationskurve gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter gleichen Bedingungen. Wie sich aus der Darstellung ergibt, wird bei dem ersten Ausführungsbeispiel und dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gegenüber der plattenförmigen Membran im Stand der Technik bei der gleichen Spannung eine höhere Stromdichte erzielt, wobei bei dem zweiten Ausführungsbeispiel eine höhere Stromdichte als bei dem ersten Ausführungsbeispiel erzielt wird. Somit ist ersichtlich, dass die Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur die Leistung der Brennstoffzelle effektiv verbessern kann.
Drittes Ausführungsbeispiel:
[0023] Wie aus Figur 10, 11, 15 und 16 zu entnehmen ist, ist bei der Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur vorgesehen, dass die Protonenaustauschmembran eine Nafion-Protonenaustauschmembran mit einer Länge von 60 mm, einer Breite von 60 mm und einer Dicke von 150 µm ist. An einer Kathodenoberfläche 2 der Protonenaustauschmembran sind mehrere Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 mit von innen nach außen gradientartig zunehmenden Abständen angeordnet. Die Konvex-Konkav-Verbundtextur 3 umfasst eine erste Ausbuchtung 7, eine zweite Mikroausbuchtung 9 und eine Mikroeinbuchtung 8. Am Umfang der ersten Ausbuchtung 7 ist eine umlaufende zweite Mikroausbuchtung 9 vorgesehen, deren Querschnittsfläche geringer als die Querschnittsfläche der ersten Ausbuchtung 7 ist. Zwischen der ersten Ausbuchtung 7 und der zweiten Mikroausbuchtung 9 ist eine Mikroeinbuchtung 8 vorgesehen, deren Wandfläche jeweils tangential zu der Wandfläche der ersten Ausbuchtung 7 und der Wandfläche der zweiten Mikroeinbuchtung 9 verläuft. Dabei handelt es sich bei der ersten Ausbuchtung 7 um eine halbkugelförmige Ausbuchtung, bei der zweiten Mikroausbuchtung 9 um eine umlaufende, ringförmige Ausbuchtung mit einem halbkreisförmigen Querschnitt und bei der Mikroeinbuchtung 8 um eine umlaufende, ringförmige Einbuchtung mit einem halbkreisförmigen Querschnitt. Die mehreren Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 sind rechteckig an der Kathodenoberfläche 2 angeordnet. Nach den Abständen zwischen benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 ist die Kathodenoberfläche 2 in einen zentralen Bereich a, einen Zwischenbereich b und einen Außenumfangsbereich c unterteilt. In jedem der Bereiche nehmen die Abstände zwischen benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 von innen nach außen gradientartig zu. In dem zentralen Bereich a liegen die Abstände S1zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 bei 60 bis 250 µm. In dem Zwischenbereich b liegen die Abstände S2zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 bei 280 bis 420 µm. In dem Außenumfangsbereich c liegen die Abstände S3zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 bei 450 bis 560 µm. Wie sich aus Figur 11 ergibt, kann mit solchen Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 die spezifische Oberfläche der Membran wesentlich vergrößert und durch die ersten Ausbuchtungen 7 und die zweiten Mikroausbuchtungen 9 eine unregelmäßige Bewegung der katalytischen Partikel effektiv verhindert werden, wobei durch die Kopplung der Ausbuchtungen und der Einbuchtungen die katalytischen Partikel gezwungen werden können, in dem untersten Bereich der Struktur eingelassen zu sein, womit die katalytischen Partikel geregelt werden und ihre katalytisch aktive Fläche effektiv erhöht wird. Gleichzeitig ist der unterste Bereich der Mikroeinbuchtung 8 als geschlossene gebogene Fläche ausgebildet, die als Mikrowasserspeicher dienen kann, womit die Wasserverwaltung optimiert werden kann.
[0024] Der Radius r1der ersten Ausbuchtung 7 liegt bei 100 µm und die Höhe h3der ersten Ausbuchtung 7 liegt bei 100 µm. Der Radius r2der Mikroeinbuchtung 8 liegt bei 50 µm und die Höhe h4der Mikroeinbuchtung 8 liegt bei 50 µm. Der Radius r3der zweiten Mikroausbuchtung 9 liegt bei 50 µm und die Höhe h5der zweiten Mikroausbuchtung 9 liegt bei 50 µm. Die Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 machen 62% der Gesamtoberfläche der Kathodenoberfläche 2 aus.
[0025] Bei dem Verfahren zum Bearbeiten der Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Konvex-Konkav-Verbundmikrostruktur handelt es sich um ein Formpressverfahren, dessen Schritte konkret wie folgt lauten: Bearbeiten eines entsprechenden Musters an einem Werkzeug durch Plasmaätzen oder mittels Ultrakurzpulslaser, Abbilden des Musters auf eine Membran und Entgraten der Struktur mithilfe einer Ultraschallreinigung, einer Glimmreinigung oder einer Sputter-Reinigung, womit eine Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Konvex-Konkav-Verbundmikrostruktur erhalten wird.
Viertes Ausführungsbeispiel:
[0026] Wie aus Figur 12, 13, 15 und 16 zu entnehmen ist, ist bei der Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur vorgesehen, dass die Protonenaustauschmembran eine Nafion-Protonenaustauschmembran mit einer Länge von 60 mm, einer Breite von 60 mm und einer Dicke von 150 µm ist. An einer Kathodenoberfläche 2 der Protonenaustauschmembran sind mehrere Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 mit von innen nach außen gradientartig zunehmenden Abständen angeordnet. Die Konvex-Konkav-Verbundtextur 3 umfasst eine erste Ausbuchtung 7, eine zweite Mikroausbuchtung 9 und eine Mikroeinbuchtung 8. Am Umfang der ersten Ausbuchtung 7 ist eine umlaufende zweite Mikroausbuchtung 9 vorgesehen, deren Querschnittsfläche geringer als die Querschnittsfläche der ersten Ausbuchtung 7 ist. Zwischen der ersten Ausbuchtung 7 und der zweiten Mikroausbuchtung 9 ist eine Mikroeinbuchtung 8 vorgesehen, deren Wandfläche jeweils tangential zu der Wandfläche der ersten Ausbuchtung 7 und der Wandfläche der zweiten Mikroeinbuchtung 9 verläuft. Dabei handelt es sich bei der ersten Ausbuchtung 7 um eine halbkugelförmige Ausbuchtung, bei der zweiten Mikroausbuchtung 9 um eine umlaufende, ringförmige Ausbuchtung mit einem halbkreisförmigen Querschnitt und bei der Mikroeinbuchtung 8 um eine umlaufende, ringförmige Einbuchtung mit einem halbkreisförmigen Querschnitt. Die mehreren Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 sind ringförmig an der Kathodenoberfläche 2 angeordnet. Nach den Abständen zwischen benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 ist die Kathodenoberfläche 2 in einen zentralen Bereich a, einen Zwischenbereich b und einen Außenumfangsbereich c unterteilt. In jedem der Bereiche nehmen die Abstände zwischen benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 von innen nach außen gradientartig zu. In dem zentralen Bereich a liegen die Abstände S1zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 bei 60 bis 280 µm. In dem Zwischenbereich b liegen die Abstände S2zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 bei 300 bis 480 µm. In dem Außenumfangsbereich c liegen die Abstände S3zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 bei 480 bis 600 µm. Wie sich aus Figur 13 ergibt, kann mit solchen Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 die spezifische Oberfläche der Membran wesentlich vergrößert und durch die ersten Ausbuchtungen 7 und die zweiten Mikroausbuchtungen 9 eine unregelmäßige Bewegung der katalytischen Partikel effektiv verhindert werden, wobei durch die Kopplung der Ausbuchtungen und der Einbuchtungen die katalytischen Partikel gezwungen werden können, in dem untersten Bereich der Struktur eingelassen zu sein, womit die katalytischen Partikel geregelt werden und ihre katalytisch aktive Fläche effektiv erhöht wird. Gleichzeitig ist der unterste Bereich der Mikroeinbuchtung 8 als geschlossene gebogene Fläche ausgebildet, die als Mikrowasserspeicher dienen kann, womit die Wasserverwaltung optimiert werden kann.
[0027] Der Radius r1der ersten Ausbuchtung 7 liegt bei 120 µm und die Höhe h3der ersten Ausbuchtung 7 liegt bei 120 µm. Der Radius r2der Mikroeinbuchtung 8 liegt bei 60 µm und die Höhe h4der Mikroeinbuchtung 8 liegt bei 60 µm. Der Radius r3der zweiten Mikroausbuchtung 9 liegt bei 60 µm und die Höhe h5der zweiten Mikroausbuchtung 9 liegt bei 60 µm. Die Konvex-Konkav-Verbundtexturen 3 machen 60% der Gesamtoberfläche der Kathodenoberfläche 2 aus.
[0028] Bei dem Verfahren zum Bearbeiten der Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur nach dem dritten und dem vierten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Formpressverfahren, dessen Schritte konkret wie folgt lauten: Bearbeiten eines entsprechenden Musters an einem Werkzeug durch Plasmaätzen oder mittels Ultrakurzpulslaser, Abbilden des Musters auf eine Membran und Entgraten der Struktur mithilfe einer Ultraschallreinigung, einer Glimmreinigung oder einer Sputter-Reinigung, womit eine Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Konvex-Konkav-Verbundmikrostruktur erhalten wird.
[0029] Figur 17 zeigt einen Vergleich zwischen der Polarisationskurve einer plattenförmigen Membran im Stand der Technik und der Polarisationskurve gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel und dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter gleichen Bedingungen. Wie sich aus der Darstellung ergibt, wird bei dem dritten Ausführungsbeispiel und dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gegenüber der plattenförmigen Membran im Stand der Technik bei der gleichen Spannung eine höhere Stromdichte erzielt, wobei bei dem dritten Ausführungsbeispiel eine höhere Stromdichte als bei dem vierten Ausführungsbeispiel erzielt wird, was darauf hinweist, dass mit rechteckig angeordneten Mikromusterstrukturen ein besseres Ergebnis erzielt wird. Somit ist ersichtlich, dass die Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur die Leistung der Brennstoffzelle effektiv verbessern kann.
[0030] Figur 18 zeigt einen Vergleich zwischen der Stromdichte einer plattenförmigen Membran im Stand der Technik und der Stromdichte der Kathodenoberfläche der Protonenaustauschmembran gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei einer Spannung von 0,4 V. Wie sich aus der Darstellung ergibt, wird bei dem ersten Ausführungsbeispiel und dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gegenüber der plattenförmigen Membran im Stand der Technik bei der gleichen Spannung eine höhere Stromdichte erzielt, wobei bei dem ersten Ausführungsbeispiel eine ähnliche Stromdichte wie bei dem dritten Ausführungsbeispiel erzielt wird.
[0031] Figur 19 zeigt einen Vergleich zwischen dem Wassermassenanteil einer plattenförmigen Membran im Stand der Technik und dem Wassermassenanteil der Kathodenoberfläche der Protonenaustauschmembran gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei einer Spannung von 0,7 V. Wie sich aus der Darstellung ergibt, wird bei dem ersten Ausführungsbeispiel und dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gegenüber der plattenförmigen Membran im Stand der Technik bei der gleichen Spannung jeweils ein höherer Wassermassenanteil erzielt, was darauf hinweist, dass die Einbuchtungsstrukturen in der Mikrostrukturmembran bis zu einem gewissen Grad zur Wasserspeicherung dienen und somit die Benetzbarkeit der Membran verbessern können.
[0032] Figur 20 zeigt einen Vergleich zwischen dem O2-Massenanteil einer plattenförmigen Membran im Stand der Technik und dem O2-Massenanteil der Kathodenoberfläche der Protonenaustauschmembran gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei einer Spannung von 0,7 V. Wie sich aus der Darstellung ergibt, wird bei dem ersten Ausführungsbeispiel und dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gegenüber der plattenförmigen Membran im Stand der Technik bei der gleichen Spannung ein leicht geringerer Sauerstoffmassenanteil erzielt, was darauf hinweist, dass mit der Mikrostrukturmembran der Verbrauch von Sauerstoff beschleunigt und somit die Reaktionseffizienz erhöht werden kann.
[0033] Es versteht sich, dass die Beschreibung anhand einzelner Ausführungsbeispiele erläutert wird und jedes Ausführungsbeispiel nicht unbedingt nur eine unabhängige technische Lösung enthält. Eine derartige Erläuterung der Beschreibung dient lediglich der Übersichtlichkeit. Fachleute auf diesem Gebiet sollen die Beschreibung als ein Ganzes betrachten und technische Lösungen der einzelnen Ausführungsbeispiele lassen sich auch auf geeignete Weise miteinander kombinieren, um andere, für Fachleute auf diesem Gebiet verständliche Ausführungsformen zu erzeugen.
[0034] Die oben aufgeführte ausführliche Erläuterung dient lediglich zur konkreten Beschreibung umsetzbarer Ausführungsbeispiele der Erfindung, ohne den Schutzumfang der Erfindung einzuschränken. Jegliche gleichwertige Ausführungsbeispiele oder Abänderungen, die ohne Verlassen von der technischen Grundidee der Erfindung geschaffen werden, sollen von dem Schutzumfang der Erfindung im Rahmen der Patentansprüche umfasst sein.

Claims (16)

1. Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran mit einer Mikrotextur, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrotextur mehrere Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) umfasst, die mit von innen nach außen gradientartig zunehmenden Abständen an einer Kathodenoberfläche (2) der Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran (1) angeordnet sind.
2. Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Konvex-Konkav-Verbundtextur (3) eine Einbuchtung (4) umfasst, an deren Rand eine umlaufende Ausbuchtung (5) vorgesehen ist, wobei die Oberfläche der Einbuchtung (4) mehrere halbellipsoide Mikroeinbuchtungen (6) aufweist, die gleichmäßig angeordnet sind.
3. Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) in ringförmigen Gruppen an der Kathodenoberfläche (2) angeordnet sind, wobei die Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) einer jeweiligen Gruppe die gleiche radiale Entfernung vom Zentrum und einen vorgegebenen Abstand zwischen benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) aufweisen, wobei nach den Abständen zwischen benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) die Kathodenoberfläche (2) in einen zentralen Bereich (a), einen Zwischenbereich (b) und einen Außenumfangsbereich (c) unterteilt ist, wobei in jedem der Bereiche die Abstände zwischen benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) von innen nach außen gradientartig zunehmen, wobei in dem zentralen Bereich (a) die Abstände S1zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) im Bereich von 50 bis 250 µm liegen, wobei in dem Zwischenbereich (b) die Abstände S2zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) im Bereich von 250 bis 450 µm liegen, und wobei in dem Außenumfangsbereich (c) die Abstände S3zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) im Bereich von 450 bis 600 µm liegen.
4. Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe H der Einbuchtung (4) im Bereich von 20 bis 200 µm liegt, während die Höhe h1der Ausbuchtung (5) im Bereich von 5 bis 120 µm liegt, wobei die mehreren Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) 35% bis 65% der Gesamtfläche der Kathodenoberfläche (2) ausmachen.
5. Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) in rechteckigen Gruppen an der Kathodenoberfläche (2) angeordnet sind, wobei nach den Abständen zwischen benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) die Kathodenoberfläche (2) in einen zentralen Bereich (a), einen Zwischenbereich (b) und einen Außenumfangsbereich (c) unterteilt ist, wobei in jedem der Bereiche die Abstände zwischen benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) von innen nach außen gradientartig zunehmen, wobei in dem zentralen Bereich (a) die Abstände S1zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) im Bereich von 50 bis 200 µm liegen, wobei in dem Zwischenbereich (b) die Abstände S2zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) im Bereich von 200 bis 400 µm liegen, und wobei in dem Außenumfangsbereich (c) die Abstände S3zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) im Bereich von 400 bis 600 µm liegen.
6. Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe H der Einbuchtung (4) im Bereich von 20 bis 200 µm liegt, während die Höhe h1der Ausbuchtung (5) im Bereich von 5 bis 100 µm liegt, wobei die mehreren Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) 30% bis 60% der Gesamtfläche der Kathodenoberfläche (2) ausmachen.
7. Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche der Einbuchtung (4) in mehrere parallele Schichten unterteilt sind und an jeder der parallelen Schichten in Umfangsrichtung jeweils mehrere halbellipsoide Mikroeinbuchtungen (6) angeordnet sind, wobei die tiefsten Punkte der Mikroeinbuchtungen (6) benachbarter paralleler Schichten einen Winkel von 16° bis 24° in Bezug auf das Zentrum der Einbuchtung (4) einschließen, wobei die Länge der Hauptachse der Mikroeinbuchtung (6) im Bereich von 2 bis 12 µm und die Länge der Nebenachse der Mikroeinbuchtung (6) im Bereich von 1 bis 10 µm liegt, wobei die Tiefe h2der Mikroeinbuchtung (6) im Bereich von 1 bis 10 µm liegt, und wobei der Abstand zwischen benachbarter Mikroeinbuchtungen (6) benachbarter Schichten im Bereich von 1 bis 12 µm liegt.
8. Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Konvex-Konkav-Verbundtextur (3) eine erste Ausbuchtung (7), eine zweite Mikroausbuchtung (9) und eine Mikroeinbuchtung (8) umfasst, welche am Umfang der ersten Ausbuchtung (7) umlaufend und zwischen der ersten Ausbuchtung (7) und der zweiten Mikroausbuchtung (9) angeordnet ist, wobei die Querschnittsfläche der zweiten Mikroausbuchtung (9) geringer als die Querschnittsfläche der ersten Ausbuchtung (7) ist und, wobei die Wandfläche der Mikroeinbuchtung (8) jeweils tangential zu der Wandfläche der ersten Ausbuchtung (7) und der Wandfläche der zweiten Mikroeinbuchtung (9) verläuft.
9. Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der ersten Ausbuchtung (7) um eine halbkugelförmige Ausbuchtung, bei der zweiten Mikroausbuchtung (9) um eine umlaufende, ringförmige Ausbuchtung mit einem halbkreisförmigen Querschnitt und bei der Mikroeinbuchtung (8) um eine umlaufende, ringförmige Einbuchtung mit einem halbkreisförmigen Querschnitt handelt.
10. Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) in rechteckigen Gruppen an der Kathodenoberfläche (2) angeordnet sind, wobei nach den Abständen zwischen benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) die Kathodenoberfläche (2) in einen zentralen Bereich (a), einen Zwischenbereich (b) und einen Außenumfangsbereich (c) unterteilt ist, wobei in jedem der Bereiche die Abstände zwischen benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) von innen nach außen gradientartig zunehmen, wobei in dem zentralen Bereich (a) die Abstände S1zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) in Bereich von 50 bis 250 µm liegen, wobei in dem Zwischenbereich (b) die Abstände S2zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) im Bereich von 250 bis 450 µm liegen, und wobei in dem Außenumfangsbereich (c) die Abstände S3zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) im Bereich von 450 bis 600 µm liegen.
11. Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius r1der ersten Ausbuchtung (7) im Bereich von 10 bis 280 µm liegt, wobei der Radius r2der Mikroeinbuchtung (8) im Bereich von 5 bis 140 µm, wobei der Radius r3der zweiten Mikroausbuchtung (9) im Bereich von 5 bis 140 µm, und wobei die Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) 40% bis 70% der Gesamtoberfläche der Kathodenoberfläche (2) ausmachen.
12. Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) in ringförmigen Gruppen an der Kathodenoberfläche (2) angeordnet sind, wobei die Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) einer jeweiligen Gruppe die gleiche radiale Entfernung vom Zentrum und einen vorgegebenen Abstand zwischen benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) aufweisen, wobei nach den Abständen zwischen benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) die Kathodenoberfläche (2) in einen zentralen Bereich (a), einen Zwischenbereich (b) und einen Außenumfangsbereich (c) unterteilt ist, wobei in jedem der Bereiche die Abstände zwischen benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) von innen nach außen gradientartig zunehmen, wobei in dem zentralen Bereich (a) die Abstände S1zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) im Bereich von 50 bis 280 µm liegen, wobei in dem Zwischenbereich (b) die Abstände S2zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) im Bereich von 280 bis 480 µm liegen, und wobei in dem Außenumfangsbereich (c) die Abstände S3zwischen den benachbarten Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) im Bereich von 480 bis 600 µm liegen.
13. Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius r1der ersten Ausbuchtung (7) im Bereich von 10 bis 300 µm liegt, wobei der Radius r2der Mikroeinbuchtung (8) im Bereich von 5 bis 160 µm liegt, wobei der Radius r3der zweiten Mikroausbuchtung (9) im Bereich von 5 bis 160 µm liegt, und wobei die Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) 35% bis 70% der Gesamtoberfläche der Kathodenoberfläche (2) ausmachen.
14. Verfahren zur Bearbeitung der Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: Bearbeiten der Kathodenoberfläche (2) unmittelbar mittels Laser, um eine lokale Vergasung der Kathodenoberfläche (2) zu bewirken und somit mehrere Konvex-Konkav-Verbundtexturen (3) zu bilden, Entgraten mithilfe einer Ultraschallreinigung oder einer Glimmreinigung oder einer Sputter-Reinigung.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitung konkret mit den folgenden Parametern erfolgt: Divergenzwinkel von geringer als 0,5 mrad, Ausgangs-Strahlqualität M≤1,3, Lichtfleck-Durchmesser von nicht größer als 3 mm, Wellenlänge von 1064 nm, Leistung von 1 bis 25 W, Einzelpulsenergie von 1 bis 100 µJ, Pulsweite von 1 bis 100 ps und Wiederholfrequenz von 1 bis 10 MHz.
16. Verfahren zur Bearbeitung der Brennstoffzellen-Protonenaustauschmembran nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: Bearbeiten eines ersten Stanzwerkzeugs mit einer Einbuchtung und einer Ausbuchtung mittels eines Plasmaätzverfahrens oder mittels Ultrakurzpulslaser und Entgraten des ersten Stanzwerkzeugs mithilfe einer Ultraschallreinigung oder einer Glimmreinigung, Bearbeiten einer Einbuchtung (4) und einer Ausbuchtung (5) an der Kathodenoberfläche (2) mittels des ersten Stanzwerkzeugs, Bearbeiten eines zweiten Stanzwerkzeugs mit einer halbellipsoiden Mikroeinbuchtung mittels eines Plasmaätzverfahrens oder mittels Ultrakurzpulslaser und Entgraten des zweiten Stanzwerkzeugs mithilfe einer Ultraschallreinigung oder einer Glimmreinigung, Bearbeiten einer halbellipsoiden Mikroeinbuchtung (6) an der Kathodenoberfläche (2) mittels des zweiten Stanzwerkzeugs.
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