DE102005051162A1 - Oberflächenstrukturierte Membranen und mit Katalysator beschichtete Membranen sowie Membran-Elektroden-Einheiten daraus - Google Patents

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Abstract

Ionenleitende Polymerelektrolytmembran, aufgebaut aus einer Grundfläche mit einer einheitlichen Dicke d mit einer ersten Oberfläche auf der Oberseite der Grundfläche und einer zweiten Oberfläche auf der Unterseite der Grundfläche, aufgebaut aus einem ersten Polymerelektrolytmembranmaterial, wobei mindestens ein Teil mindestens einer Oberfläche eine dreidimensionale Strukturierung, aufgebaut aus mindestens einem zweiten Polymerelektrolytmembranmaterial, aufweist, wobei das erste und das zweite Polymerelektrolytmembranmaterial gleich oder verschieden sein können und die Strukturierung mittels Aufbringung des zweiten Polymerelektrolytmembranmaterials auf die Grundfläche und gegebenenfalls weitere Bearbeitung erhalten wird, ein Verfahren zur Herstellung der ionenleitenden Polymerelektrolytmembran, eine MEA, enthaltend mindestens eine vorstehend genannte ionenleitende Polymerelektrolytmembran oder eine vorstehend genannte CCM, eine Brennstoffzelle, enthaltend mindestens eine vorstehend genannte ionenleitende Polymerelektrolytmembran, CCM oder MEA, eine Elektrolysezelle, enthaltend mindestens eine vorstehend genannte ionenleitende Polymerelektrolytmembran, und die Verwendung von mindestens einer vorstehend genannten Polymerelektrolytmembran in Brennstoff- oder Elektrolysezellen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ionenleitende Polymerelektrolytmembranen, die eine dreidimensionale Strukturierung ihrer Oberfläche aufweisen, Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembranen, mit Katalysator beschichtete Membranen enthaltend mindestens eine erfindungsgemäße ionenleitende Polymerelektrolytmembran, Membran-Elektroden-Einheiten enthaltend mindestens eine erfindungsgemäße ionenleitende Polymerelektrolytmembran, Brennstoffzellen sowie Elektrolysezellen enthaltend mindestens eine erfindungsgemäße ionenleitende Polymerelektrolytmembran sowie die Verwendung mindestens einer erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembranen in Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen.
  • In Brennstoffzellen wird ein Brennstoff mit einem Oxidationsmittel an voneinander getrennten Orten an zwei Elektroden in Strom, Wärme und Wasser umgewandelt. Als Brennstoffe sind Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas sowie flüssige Brennstoffe wie Methanol, Ethanol, Ameisensäure, Ethylenglykol etc. geeignet, als Oxidationsmittel werden Sauerstoff oder Luft eingesetzt. Der Vorgang der Energieumwandlung in der Brennstoffzelle zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus. Daher gewinnen Brennstoffzellen wachsende Bedeutung, insbesondere in Kombination mit Elektromotoren als Alternative für herkömmliche Verbrennungskraftmaschinen. Aufgrund ihrer kompakten Bauweise sowie Leistungsdichte eignen sich insbesondere Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzel-len) für den Einsatz in Kraftfahrzeugen.
  • Im Allgemeinen ist eine PEM-Brennstoffzelle aus einer stapelweisen Anordnung von Membran-Elektroden-Einheiten (MEA, Membrane Elektrode Assembly), zwischen denen üblicherweise bipolare Platten zur Gaszufuhr und Stromleitung angeordnet sind, aufgebaut. Eine MEA ist üblicherweise aus einer Polymerelektrolytmembran aufgebaut, die auf beiden Seiten mit einer Katalysatorschicht versehen ist (Catalyst Coated Membrane, CCM), worauf jeweils eine Gasverteilerstruktur (Gas Diffusion Layer, GDL) aufgebracht ist. Eine der vorstehend erwähnten Katalysatorschichten dient dabei als Anode für die Oxidation von Wasserstoff und die zweite der vorstehend genannten Katalysatorschichten dient als Kathode für die Reduktion von Sauerstoff. Die Gasverteilerstrukturen sind im Allgemeinen aus Kohlefaserpapier oder Kohlevlies aufgebaut und weisen eine hohe Porosität auf, die einen guten Zugang der Reaktionsgase zu den Katalysatorschichten und eine gute Ableitung des Zellenstroms ermöglichen.
  • Um einen möglichst guten Verbund zwischen der Polymerelektrolytmembran und den im Allgemeinen beidseitig aufgebrachten Katalysatorschichten (Anode und Kathode) mit möglichst guter Kontaktierung der Anode und der Kathode an die Membran zu erreichen, wird die Katalysatorschicht üblicherweise in Form einer sogenannten Katalysatortinte, die üblicherweise aus einem Elektrokatalysator, einem Elektronenleiter, einem Polyelektrolyt und Lösemittel aufgebaut ist, auf die Membran appliziert. Dabei ergibt sich die Schwierigkeit, dass die Polymerelektrolytmembran und die Katalysatorschichten möglichst gut und innig kontaktiert werden müssen, um z. B. eine Delamination zu vermeiden und eine möglichst hohe Stoffaustauschfläche zu erzielen.
  • Mit Katalysatortinte beschichtete Polymerelektrolytmembranen (CCM, Catalyst Coated Membrane) sowie Membran-Elektroden-Einheiten (MEA, Membrane Electrode Assembly), die diese enthalten, sind im Stand der Technik bekannt.
  • DE-A 198 37 669 betrifft eine Katalysatorschicht für Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen. Die Katalysatorschicht gemäß DE-A 198 37 669 ist erhältlich durch Beschichten eines Substratmaterials mit einer Tinte, welche eine Dispersion aus Kohlenstoffpartikeln und mindestens einer Edelmetall-Komplexverbindung in einer Lösung eines Ionomers (ionenleitendes Polymer) enthält, Trocknung der Beschichtung unterhalb einer Temperatur bei der das Ionomer oder das Substratmaterial thermisch geschädigt werden und bei der die Komplexverbindungen während der Trocknung unter Bildung von feinteiligen Edelmetallpartikeln thermisch zersetzt werden. Wie aus den 1, 2 und 3 hervorgeht, weist die Polymerelektrolytmembran gemäß DE-A 198 37 669 keine dreidimensionale Strukturierung auf.
  • US 5,234,777 betrifft Brennstoffzellen, die eine dünne Katalysatorschicht zwischen einer festen Polymerelektrolytmembran und einer porösen Elektrode aufweisen. Die Katalysatorschicht kann mittels einer Katalysatortinte auf die Membran aufgebracht werden. Bezüglich einer dreidimensionalen Strukturierung der festen Polymerelektrolytmembran enthält US 5,234,777 keine Angaben.
  • WO 03/054991 betrifft ein Verfahren zur Aufbringung von Katalysatortinte auf eine für Brennstoffzellen geeignete Membran mittels eines Gravurverfahrens. Mit Hilfe des Gravurverfahrens wird eine Katalysatorschicht gebildet, die dreidimensional strukturiert ist. Die gemäß WO 03/054991 eingesetzte Polymerelektrolytmembran ist hingegen nicht dreidimensional strukturiert, sondern weist im Wesentlichen eine glatte Oberfläche auf, wie beispielsweise in 2 in WO 03/054991 erkennbar ist. Mit Hilfe dieses Aufbaus wird erreicht, dass eine große Katalysatoroberfläche zur Verfügung gestellt werden kann, wodurch die Menge an eingesetztem Edelmetall gering gehalten werden kann. Eine verbesserte Haftung der Katalysatorschicht auf der Polymerelektrolytmembran kann jedoch durch das Verfahren gemäß WO 03/054991 nicht erreicht werden.
  • WO 01/11704 betrifft ein Substrat, das eine erste zumindest teilweise strukturierte Oberfläche aufweist, die Mikrostrukturen trägt. Bevorzugt wird auf die Mikrostrukturen eine Katalysatorschicht aufgebracht. Das Substrat mit der Katalysatorschicht wird in einem Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodeneinheit eingesetzt. In diesem Verfahren werden die Mikrostrukturen des Substrats auf eine oder mehrere Oberflächen einer Polymerelektrolytmembran übertragen. Bei dem Substrat handelt es sich z.B. um eine unfunktionalisierte Folie, auf die die Katalysatorschicht aufgebracht wird. Diese Katalysatorstruktur wird auf eine oder mehrere Oberflächen einer Polymerelektrolytmembran übertragen. Dieses Verfahren ist sehr aufwändig und die Herstellung von Membranelektrodeneinheiten mit Hilfe des in WO 01/11704 offenbarten Verfahrens erfordert zahlreiche Verfahrensschritte.
  • In WO 03/007412 sind modifizierte ionenleitende Membranen offenbart, die eine vergrößerte Oberfläche aufweisen. Die Vergrößerung der Membranoberfläche wird durch Verformung (Deformation) der Oberfläche, z.B. im Hochspannungsfeld, erzielt. Das offenbarte Verfahren ist sehr aufwändig. Des Weiteren besteht die Gefahr einer Membranschädigung durch die Verformung.
  • WO 03/076061 betrifft Ionenaustauschsysteme mit strukturierten Oberflächen und deren Verwendung z.B. in Brennstoffzellen. Die Strukturierung der Oberfläche der Ionenaustauschmembran erfolgt mit Hilfe eines Lasers (Oberflächenaufrauung). Da bei dieser Methode Membranmaterial abgetragen wird, besteht die Gefahr einer Membranschädigung (pinholes).
  • WO 00/45448 betrifft verbesserte Membranelektrodeneinheiten und deren Einsatz in Brennstoffzellen. Die Herstellung der Membranelektrodeneinheiten umfasst die Auftragung einer Katalysatortinte enthaltend katalytisches Material und Poly(vinylidenfluorid) auf eine Polymerelektrolytmembran. Gemäß der Beschreibung kann durch Aufrauung der Oberfläche der Membran mittels eines abrasiven Verfahrens eine verbesserte Verankerung zwischen Katalysator und Polymerelektrolytmembran erzielt werden. Da in dem in WO 00/45448 beschriebenen Verfahren Membranmaterial abgetragen wird, besteht die Gefahr einer Verletzung der Membran (Pinholes).
  • US 2005/0037916 A1 betrifft mit einem Katalysator beschichtete Membranen, die strukturierte Oberflächen aufweisen. Die Strukturierung der Membranen wird durch Prägen erzielt, indem eine Form, die Vorsprünge im Nanobereich aufweist, in die Membran gepresst wird, wobei in der Membran Vertiefungen entstehen. Auf der erhaltenen Oberfläche der Membran wird katalytisches Material abgeschieden. Durch das eingesetzte Prägeverfahren besteht die Gefahr von Schädigungen der Membran (so genannte „pin holes").
  • Gemäß dem vorstehend genannten Stand der Technik werden Polymerelektrolytmembranen, die strukturierte Oberflächen aufweisen, entweder durch Materialabtrag oder Verdrängung von Material hergestellt. Dabei besteht die große Gefahr, dass die Polymerelektrolytmembran beschädigt und somit unbrauchbar wird.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung einer ionenleitenden Polymerelektrolytmembran, insbesondere für Brennstoff- bzw. Elektrolysezellen, die eine verbesserte Haftung einer auf diese Membran aufgetragenen Katalysatorschicht bewirkt. Diese Membran soll frei von Beschädigungen sein, wie sie durch Materialabtrag oder Verdrängung entstehen können. Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung sind die Bereitstellung einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM, Catalyst Coated Membrane) sowie einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA, Membrane Electrode Assembly) und einer Brennstoff- bzw. Elektrolysezelle, die die ionenleitende Polymerelektrolytmembran enthalten.
  • Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung einer ionenleitenden Polymerelektrolytmembran gelöst, aufgebaut aus einer Grundfläche mit einer einheitlichen Dicke d mit einer ersten Oberfläche auf der Oberseite der Grundfläche und einer zweiten Oberfläche auf der Unterseite der Grundfläche, aufgebaut aus einem ersten Polymerelektrolytmembranmaterial, wobei mindestens ein Teil mindestens einer Oberfläche eine dreidimensionale Strukturierung aufgebaut aus mindestens einem zweiten Polymerelektrolytmembranmaterial aufweist, wobei das erste und das zweite Polymerelektrolytmembranmaterial gleich oder verschieden sein können, und die Strukturierung mittels Aufbringung des zweiten Polymerelektrolytmembranmaterials auf die Grundfläche und gegebenenfalls weitere Bearbeitung erhalten wird.
  • Mit Hilfe der erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembran kann eine verbesserte Haftung von auf die ionenleitende Polymerelektrolytmembran aufgebrachten Schichten, insbesondere von Katalysatorschichten, erzielt werden. Durch die auf Grund der dreidimensionalen Strukturierung größere Oberfläche der Membran und die Verzahnung mit einer darüber liegenden Schicht, insbesondere einer Katalysatorschicht, kommt es zu einer guten Anbindung der Schicht an die Membran und somit zu einer geringen Delaminationsneigung. Des Weiteren sind die Übergangswiderstände zwischen Membran und der weiteren Schicht, insbesondere der Katalysatorschicht, gering. Des Weiteren wurde überraschender Weise gefunden, dass auf Grund der dreidimensionalen Strukturierung der ionenleitenden Polymerelektrolytmembran in Form einer Vielzahl von Erhebungen diese Erhebungen auf Grund ihres hydrophilen Charakters Kanäle des Ionentransports in und aus der Membran in die darauf folgenden Schichten, insbesondere die Katalysatorschichten darstellen, so dass sowohl der Ionenleitwiderstand als auch der Wasserhaushalt der bevorzugt auf die Membran auf gebrachten Katalysatorschichten verbessert werden. Des Weiteren wird durch die erfindungsgemäße dreidimensionale Strukturierung eine mechanische Stabilisierung der Membran bzw. eine geringere Formveränderung (Quellung) erreicht. Die erfindungsgemäße ionenleitende Polymerelektrolytmembran zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass Sie keine Beschädigungen aufweist. Des Weiteren kann die erfindungsgemäße ionenleitende Polymerelektrolytmembran eine sehr regelmäßige Strukturierung aufweisen.
  • Die dreidimensionale Strukturierung mindestens eines Teils mindestens einer Oberfläche der Grundfläche kann in Form einer Vielzahl von Erhebungen ausgehend von der Grundfläche (Ausführungsform 1) oder in Form einer auf die Grundfläche aufgebrachten dreidimensional strukturierten Schicht aufgebaut aus dem zweiten Polymerelektrolytmembranmaterial (Ausführungsform 2) vorliegen, wobei die dreidimensionale Strukturierung der aus dem zweiten Polymerelektrolytmembranmaterial aufgebauten Schicht durch eine Vielzahl von Erhebungen auf der Oberfläche der Schicht gebildet wird. In dem ersten Fall (Ausführungsform 1) ist nicht der gesamte Teil des strukturierten Teils der Oberfläche der Grundfläche mit dem zweiten Polymerelektrolytmembranmaterial bedeckt, sondern lediglich die Erhebungen werden aus dem zweiten Polymerelektrolytmembranmaterial gebildet. In dem zweiten Fall (Ausführungsform 2) ist der gesamte Teil des strukturierten Teils der Oberfläche der Grundfläche mit dem zweiten Polymerelektrolytmembranmaterial bedeckt, wobei das zweite Polymerelektrolytmembranmaterial eine strukturierte Oberfläche in Form von Erhebungen aufweist.
  • Unter Aufbringung des zweiten Polymerelektrolytmembranmaterials auf die Grundfläche und gegebenenfalls weitere Bearbeitung ist im Sinne der vorliegenden Anmeldung zu verstehen, dass zusätzliches Material auf die Grundfläche aufgetragen wird. Dies bildet in dem ersten Fall (Ausführungsform 1) die Erhebungen ausgehend von der Grundfläche. In diesem Fall ist keine weitere Bearbeitung erforderlich, um eine dreidimensionale Strukturierung zu erhalten. In dem zweiten Fall (Ausführungsform 2) kann eine weitere Bearbeitung erfolgen, um eine dreidimensionale Strukturierung der aus dem zweiten Polymerelektrolytmembranmaterial gebildeten Oberfläche zu erhalten. Es ist ebenfalls möglich, dass das zweite Polymerelektrolytmembranmaterial zusätzlich Füllstoffpartikel, z.B. anorganische Materialien enthält. Weitere geeignete Füllstoffpartikel sind nachstehend genannt. Bei einer Aufbringung des zweiten Polymerelektrolytmembranmaterials aus einer entsprechenden Lösung, die zusätzlich Füllstoffpartikel enthält, kann nach Entfernung des Lösungsmittels eine dreidimensional strukturierte Membran erhalten werden, wobei die Füllstoffpartikel teilweise aus der Polymerelektrolytoberfläche ragen und zumindest teilweise die dreidimensionale Strukturierung bilden können. Hierbei liegt der Partikeldurchmesser vorzugsweise im μm-Bereich. Die Füllstoffpartikel können jedoch ebenso derart im Polymermaterial verteilt sein, dass diese keinen Beitrag zur dreidimensionalen Strukturierung liefern.
  • Die Vorgehensweise umfassend eine weitere Bearbeitung ist nachstehend am Beispiel des Prägens näher ausgeführt.
  • Im Gegensatz zum Stand der Technik weist die erfindungsgemäße ionenleitende Polymerelektrolytmembran keine Strukturierung auf, die durch Materialabtrag oder Verdrängung von Polymerelektrolytmembranmaterial der Grundfläche erreicht wird. Das Aufbringen kann nach beliebigen dem Fachmann bekannten Verfahren erfolgen, z.B. durch Prägen/Rasterauftrag, strukturiertes Bedrucken wie Siebdruck, Hochdruck, Tiefdruck, Flexodruck, Offsetdruck, Tampondruck, Tintenstrahldruck oder durch Sprühauftrag.
  • Unter Prägen im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist dabei ein Verfahren zu verstehen, das die folgenden Schritte umfasst:
    • i) Aufbringen eines zweiten Polymerelektrolytmembranmaterials auf die aus einem ersten Polymerelektrolytmembranmaterial aufgebaute Grundfläche der Polymerelektrolytmembran, z. B. durch Rakeln;
    • ii) anschließendes Prägen des zweiten Polymerelektrolytmembranmaterials.
  • Die weiteren genannten Verfahren zum Aufbringen des zweiten Polymerelektrolytmembranmaterials sind dem Fachmann bekannt.
  • Die Erhebungen auf der ionenleitenden Polymerelektrolytmembran entweder ausgehend von der Grundfläche der ionenleitenden Polymerelektrolytmembran (Ausführungsform 1) oder auf der Oberfläche des zweiten Polymerelektrolytmembranmaterials (Ausführungsform 2) können entweder auf einer Seite der Polymerelektrolytmembran aufgebracht sein, d. h. entweder auf der Oberseite der Grundfläche der Polymerelektrolytmembran oder auf der Unterseite der Grundfläche der Polymerelektrolytmembran oder auf beiden Seiten der Grundfläche der ionenleitenden Polymerelektrolytmembran, d. h. sowohl auf der Oberseite der Grundfläche als auch auf der Unterseite der Grundfläche.
  • Es ist möglich, dass nur ein Teil der jeweiligen Oberfläche auf der Oberseite der Grundfläche bzw. auf der Unterseite der Grundfläche dreidimensional strukturiert ist, oder die gesamte Oberfläche auf der Oberseite und/oder auf der Unterseite der Grundfläche dreidimensional strukturiert ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist nur der Teil der Oberfläche der ionenleitenden Polymerelektrolytmembran dreidimensional strukturiert, der in Kontakt mit der darauf folgenden Schicht, insbesondere der darauf folgenden Katalysatorschicht, steht. Das bedeutet, dass die ionenleitende Polymerelektrolytmembran bevorzugt nur im Bereich der aktiven Fläche dreidimensional strukturiert ist, außerhalb der aktiven Fläche jedoch nicht.
  • Die Dicke d der Grundfläche der ionenleitenden Polymerelektrolytmembran beträgt im Allgemeinen 5 bis 500 μm, bevorzugt 10 bis 250 μm, besonders bevorzugt 20 bis 100 μm.
  • Die Zahl der Erhebungen ausgehend von der Grundfläche der ionenleitenden Polymerelektrolytmembran (Ausführungsform 1) oder ausgehend von der Oberfläche des zweiten Polymerelektrolytmembranmaterials (Ausführungsform 2) ist abhängig von der Größe der ionenleitenden Polymerelektrolytmembran sowie von dem Abstand a der Erhebungen voneinander. Dabei können die Erhebungen gleichmäßig auf der Polymerelektrolytmembran angeordnet sein, d. h. die Abstände zweier benachbarter oder zweier jeweils am nächsten liegenden benachbarten Erhebungen auf der Polymerelektrolytmembran sind immer identisch oder die Erhebungen können unregelmäßig auf die Grundfläche der Polymerelektrolytmembran aufgebracht sein, d. h. die Abstände benachbarter Erhebungen können verschieden sein. Es ist ebenfalls möglich, dass ein Teil der Abstände a der Erhebungen voneinander gleich ist und ein Teil der Abstände a verschieden ist. Das durch die Erhebungen gebildete Raster kann regelmäßig oder unregelmäßig sein.
  • Üblicherweise beträgt die Zahl der Erhebungen auf einer Seite, d. h. der Oberseite der Grundfläche oder der Unterseite der Grundfläche der ionenleitenden Polymerelektrolytmembran 1 bis 10000 pro cm, bevorzugt 10 bis 1000 pro cm, besonders bevorzugt 100 bis 1000 pro cm.
  • Die jeweiligen Erhebungen ausgehend von der Grundfläche der ionenleitenden Polymerelektrolytmembran (Ausführungsform 1) oder ausgehend von der Oberfläche des zweiten Polymerelektrolytmembranmaterials (Ausführungsform 2) können verschiedene Höhen aufweisen oder gleich hoch sein. Bevorzugt weisen die Erhöhungen eine maximale Höhe h von 0,1 bis 100 μm auf. Besonders bevorzugt weisen die Erhebungen eine maximale Höhe h von 0,5 bis 50 μm, ganz besonders bevorzugt von 1 bis 10 μm auf.
  • Vorzugsweise weisen die Erhebungen eine maximale Höhe h auf, wobei die maximale Höhe h 0,1 bis 100 % der Dicke d der Grundfläche beträgt, wobei die Erhebungen jeweils dieselbe oder verschiedene Höhen aufweisen können.
  • Der Abstand a der einzelnen Erhebungen voneinander beträgt im Allgemeinen 0,1 bis 100 μm. Dabei wird der Abstand a ausgehend von der Basisfläche der Erhebungen gemessen, wobei die Basisfläche der Erhebungen die Fläche der Erhebungen ist, die mit der Grundfläche der Polymerelektrolytmembran oder mit der Oberfläche des zweiten Polymerelektrolytmembranmaterials verbunden ist. Jede Basisfläche jeder Erhebung weist einen Mittelpunkt auf und die Mittelpunkte der jeweiligen Basisflächen jeder Erhebung weisen die Abstände a voneinander auf, die vorstehend definiert sind. Bevorzugte Abstände a betragen 0,1 bis 20 μm, besonders bevorzugte Abstände betragen 0,5 bis 5 μm. Dabei sind unter den Abständen a jeweils die kleinsten Abstände der Mittelpunkte der Basisflächen der Erhebungen voneinander auf der Grundfläche der Polymerelektrolytmembran in x- bzw. in y-Richtung zu verstehen, wobei die x- und die y-Richtung senkrecht zueinander angeordnet sind und die x-Richtung sowie die y-Richtung parallel zu den äußeren Membrangrenzen angeordnet sind.
  • Vorzugsweise weisen die Erhebungen eine Basisfläche auf, die mit der Grundfläche der Polymerelektrolytmembran oder der Oberfläche der aus dem zweiten Polymerelektrolytmembranmaterial aufgebauten Schicht verbunden ist, wobei jede Basisfläche jeder Erhebung einen Mittelpunkt aufweist und die Mittelpunkte der Basisflächen jeder Erhebung jeweils einen Abstand a voneinander aufweisen, der 0,1 bis 100 % der Dicke d der Grundfläche der Polymerelektrolytmembran beträgt, wobei die jeweiligen Abstände gleich oder verschieden sein können.
  • In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembran schematisch dargestellt. Dabei sind die Erhebungen von der Grundfläche der Polymerelektrolytmembran symmetrisch auf einer der Oberflächen der Polymerelektrolytmembran angeordnet. Wie bereits vorstehend erwähnt, sind ebenfalls Ausführungsformen denkbar, in denen die Erhebungen unsymmetrisch angeordnet sind.
  • In 1a ist eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße ionenleitende Polymerelektrolytmembran dargestellt, worin die schwarzen Punkte die einzelnen Erhebungen auf der Grundfläche der Polymerelektrolytmembran darstellen.
  • In 1a bedeuten:
    •
    • a
    Abstände der Mittelpunkte der Basisflächen der Erhebungen voneinander
    A-A
    senkrechter Schnitt durch die dargestellte Membran, der in 1b gezeigt ist.
  • In 1b bedeuten:
    • a
    Abstände der Mittelpunkte der Basisflächen der Erhebungen voneinander
    h
    maximale Höhe der Erhebungen ausgehend von der Oberfläche der Grundfläche der Polymerelektrolytmembran
    d
    Dicke der Grundfläche der Polymerelektrolytmembran.
  • In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembran schematisch dargestellt. Dabei sind die Erhebungen von der Grundfläche der Polymerelektrolytmembran symmetrisch in Form von Lamellen auf einer der Oberflächen der Polymerelektrolytmembran angeordnet.
  • In 2a bedeuten:
    • K
    Katalysatorschicht
    M
    Membran (Seitenansicht)
  • In 2b bedeutet:
    • a
    Abstände der Erhebungen voneinander
  • Die Oberseite und die Unterseite der Grundfläche der Polymerelektrolytmembran können dieselbe Oberflächenstruktur aufweisen oder verschiedene Oberflächenstrukturen aufweisen. Unter Oberflächenstrukturen werden dabei die Zahl, Höhen und Abstände sowie die Formen der einzelnen Erhebungen verstanden. D. h., die Oberseite und die Unterseite der ionenleitenden Polymerelektrolytmembran können eine identische dreidimensionale Strukturierung oder unterschiedliche dreidimensionale Strukturierungen aufweisen.
  • Die Erhebungen können im Allgemeinen beliebig geformt sein. Dabei sind regelmäßige und unregelmäßige Formen denkbar. Die jeweiligen Erhebungen können gleiche oder verschiedene Formen aufweisen.
  • Geeignete Formen der Erhebungen sind z. B. ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lamellen, Zylindern, Halbkugeln, Pyramiden, Pyramidenstümpfen, Prismen, Kegeln, Kegelstümpfen, Würfeln, Quadern sowie beliebigen Kombinationen der genannten Formen und vollständig unregelmäßigen Formen. Bevorzugt weisen die Erhebungen die folgenden Formen auf: Zylinder, Halbkugeln, Kegel, Kegelstümpfe und unregelmäßige Formen.
  • Das erste und das zweite Polymerelektrolytmembranmaterial der ionenleitenden Polymerelektrolytmembran enthalten mindestens ein ionenleitendes Polymer (Ionomer), wobei das erste und das zweite Polymerelektrolytmembranmaterial gleich oder verschieden sein können. Das bedeutet, das erste und das zweite Polymerelektrolytmembranmaterial können die gleichen oder verschiedene Ionomere aufweisen. Wenn das Polymerelektrolytmembranmaterial aus mehreren Komponenten, z.B. aus mehreren Ionomeren, aufgebaut ist, können diese Komponenten in dem ersten und dem zweiten Polymerelektrolytmembranmaterial in denselben Mengen (gleiches Polymerelektrolytmembranmaterial) oder in unterschiedlichen Mengen vorliegen (verschiedenes Polymerelektrolytmembranmaterial). Geeignete Ionomere sind dem Fachmann bekannt und z. B. in WO 03/054991 offenbart. Bevorzugt wird mindestens ein Ionomer eingesetzt, das Sulfonsäure-, Carbonsäure- und/oder Phosphonsäuregruppen aufweist. Geeignete Sulfonsäure-, Carbonsäure- und/oder Phosphonsäuregruppen aufweisende Ionomere sind dem Fachmann bekannt. Unter Sulfonsäure-, Carbonsäure- und/oder Phosphonsäuregruppen sind Gruppen der Formeln -SO3X, -COOX und -PO3X2 zu verstehen, wobei X H, NH4 +, NH3R+, NH2R3 +, NHR3 + oder NR4 + bedeutet, wobei R ein beliebiger Rest, bevorzugt ein Alkylrest, ist, der gegebenenfalls einen oder mehrere weitere Reste aufweist, die unter für Brennstoffzellen üblicherweise vorliegenden Bedingungen Protonen abgeben können.
  • Bevorzugte Ionomere sind z. B. Sulfonsäuregruppen enthaltende Polymere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus perfluorierten sulfonierten Kohlenwasserstoffen wie Nafion® von E. I. Dupont, sulfonierten aromatischen Polymeren wie sulfonierten Polyaryletherketonen wie Polyetheretherketonen (sPEEK), sulfonierten Polyetherketonen (sPEK), sulfonierten Polyetherketonketonen (sPEKK), sulfonierten Polyetheretherketonketonen (sPEEKK), sulfonierten Polyarylenethersulfonen, sulfonierten Polybenzobisbenzazolen, sulfonierten Polybenzothiazolen, sulfonierten Polybenzimidazolen, sulfonierten Polyamiden, sulfonierten Polyetherimiden, sulfonierten Polyphenylenoxiden, z. B. Poly-2,6-dimethyl-1,4-phenylenoxide, sulfonierten Polyphenylensulfiden, sulfonierten Phenol-Formaldehydharzen (linear oder verzweigt), sulfonierten Polystyrolen (linear oder verzweigt), sulfonierten Polyphenylenen und weiteren sulfonierten aromatischen Polymeren.
  • Die sulfonierten aromatischen Polymere können teilweise oder vollständig fluoriert sein. Weitere sulfonierte Polymere umfassen Polyvinylsulfonsäuren, Copolymere aufgebaut aus Acrylnitril und 2-Acrylamido-2-methyl-1-propansulfonsäuren, Acrylnitril und Vinylsulfonsäuren, Acrylnitril und Styrolsulfonsäuren, Acrylnitril und Methacryloxyethylenoxypropansulfonsäuren, Acrylnitril und Methacryloxyethylenoxytetrafluoroethylensulfonsäuren usw.. Die Polymere können wiederum teilweise oder vollständig fluoriert sein. Weitere Gruppen geeigneter sulfonierter Polymere umfassen sulfonierte Po lyphosphazene wie Poly(sulfophenoxy)phosphazene oder Poly(sulfoethoxy)phosphazene. Die Polyphosphazen-Polymere können teilweise oder vollständig fluoriert sein. Sulfonierte Polyphenylsiloxane und Copolymere davon, Poly(sulfoalkoxy)phosphazene, Poly(sulfotetrafluoroethoxypropoxy)siloxane sind ebenfalls geeignet.
  • Beispiele für geeignete Carbonsäuregruppen enthaltende Polymere umfassen Polyacrylsäure, Polymethacrylsäure und beliebige Copolymere davon. Geeignete Polymere sind z. B. Copolymere mit Vinylimidazol oder Acrylnitril. Die Polymere können wiederum teilweise oder vollständig fluoriert sein.
  • Geeignete Polymere enthaltend Phosphonsäuregruppen sind z. B. Polyvinylphosphonsäure, Polybenzimidazolphosphonsäure, phosphonierte Polyphenylenoxide, z. B. Poly-2,6-dimethyl-phenylenoxide usw.. Die Polymere können teilweise oder vollständig fluoriert sein.
  • Neben kationenleitenden Polymere sind auch anionenleitende Polymere denkbar, so dass sich alkalische Anordnungen von Membran-Elektronen-Einheiten ergeben, in denen Hydroxy-Ionen den Ionentransport bewerkstelligen können. Diese tragen zum Beispiel tertiäre Amingruppen oder quarternäre Ammoniumgruppen. Beispiele solcher Polymere sind in US-A 6,183,914; JP-A 11273695 sowie bei Slade et al., J. Mater. Chem. 13 (2003), 712 – 721 beschrieben.
  • Ebenfalls ist der Auftrag anionenleitender Polymere auf kationenleitenden Membranen oder der Auftrag kationenleitender Polymere auf anionenleitenden Membranen möglich.
  • Des Weiteren sind Säure-Base-Blends als Ionomere geeignet, wie sie z. B. in WO 99/54389 und WO 00/09588 offenbart sind. Dabei handelt es sich im Allgemeinen um Polymermischungen umfassend ein Sulfonsäuregruppen enthaltendes Polymer und ein Polymer, das primäre, sekundäre oder tertiäre Aminogruppen aufweist, wie sie in WO 99/54389 offenbart sind oder Polymermischungen, die durch Mischen von Polymeren, die basische Gruppen in der Seitenkette enthalten, mit Sulfonat-, Phosphonat- oder Carboxylatgruppen (Säure- oder Salzform) enthaltenden Polymeren erhalten werden. Geeignete Sulfonat-, Phosphonat- oder Carboxylatgruppen enthaltende Polymere sind vorstehend genannt (siehe Sulfonsäure, Carbonsäure- oder Phosphonsäuregruppen enthaltende Polymere). Polymere, die basische Gruppen in der Seitenkette enthalten, sind solche Polymere, die durch Seitenkettenmodifikation von mit metallorganischen Verbindungen deprotonierbaren Engineering-Arylhauptketten-Polymeren mit arylenhaltigen N-basischen Gruppen, erhalten werden, wobei tertiäre basische N-Gruppen (wie z. B. tertiäres Amin oder basischen N enthaltende heterocyclische aromatische Verbindungen wie Pyridin, Pyrimidin, Triazin, Imidazol, Pyrazol, Triazol, Thiazol, Oxazol usw.) enthaltende aromatische Ketone und Aldehyde and das metallierte Polymer. Dabei kann das als Zwischenverbindung entstehende Metall-Alkoholat in einem weiteren Schritt entweder mit Wasser protoniert werden oder mit Halogenalkanen verethert werden (WO0/09588).
  • Die vorstehend genannten Polymerelektrolytmembranmaterialien (Ionomere) können des Weiteren vernetzt sein. Geeignete Vernetzungsreagenzien sind z. B. Epoxidvernetzer wie die kommerziell erhältlichen Decanole®. Geeignete Lösungsmittel, in denen die Vernetzung durchgeführt werden kann, können unter anderem in Abhängigkeit des Vernetzungsreagenzes und der verwendeten Ionomere gewählt werden. Unter anderem geeignet sind aprotische Lösungsmittel wie DMAc (N,N-Dimethylacetamid), DMF (Dimethylformamid), NMP (N-Methylpyrrolidon) oder Gemische davon. Geeignete Vernetzungsverfahren sind dem Fachmann bekannt.
  • Bevorzugte Ionomere sind die vorstehend genannten Sulfonsäuregruppen enthaltenden Polymere. Besonders bevorzugt sind perfluorierte sulfonierte Kohlenwasserstoffe wie Nafion®, sulfonierte aromatische Polyetheretherketone (sPEEK), sulfonierte Polyetherethersulfone (sPES), sulfonierte Polyetherimide, sulfonierte Polybenzimidazole, sulfonierte Polyethersulfone sowie Mischungen der genannten Polymere. Besonders bevorzugt sind perfluorierte sulfonierte Kohlenwasserstoffe wie Nafion® und sulfonierte Polyetheretherketone (sPEEK). Diese können allein oder in Mischungen mit anderen Ionomeren eingesetzt werden. Es ist ebenfalls möglich, Copolymere einzusetzen, die Blöcke der vorstehend genannten Polymere, bevorzugt Sulfonsäuregruppen-haltigen Polymere, enthalten. Ein Beispiel für ein solches Blockcopolymer ist sPEEK-PAMD.
  • Der Funktionalisierungsgrad der Ionomere, die Sulfonsäure-, Carbonsäure- und/oder Phosphonsäuregruppen enthalten, beträgt im Allgemeinen 0 bis 100 %, bevorzugt 30 bis 70 %, besonders bevorzugt 40 bis 60 %.
  • Besonders bevorzugt eingesetzte sulfonierte Polyetheretherketone weisen Sulfonierungsgrade von 0 bis 100 %, bevorzugt 30 bis 70 %, besonders bevorzugt 40 bis 60 auf. Dabei wird unter einer Sulfonierung von 100 % bzw. einer Funktionalisierung von 100 % verstanden, dass jede Wiederholungseinheit des Polymers eine funktionelle Gruppe, insbesondere eine Sulfonsäuregruppe, enthält.
  • Die vorstehend genannten Ionomere können allein oder in Gemischen in den erfindungsgemäßen Polymerelektrolytmembranen eingesetzt werden. Dabei können Mischungen eingesetzt werden, die neben dem mindestens einen Ionomer weitere Polymere enthalten oder andere Zusatzstoffe, z. B. anorganische Materialien, Katalysatoren oder Stabilisatoren.
  • Herstellungsverfahren für die genannten als Ionomer geeigneten ionenleitenden Polymere sind dem Fachmann bekannt. Geeignete Herstellungsverfahren für sulfonierte Polyaryletherketone sind z. B. in EP-A 0 574 791 und WO 2004/076530 offenbart.
  • Einige der genannten ionenleitenden Polymere sind kommerziell erhältlich, z. B. Nafion® von E. I. Dupont. Weitere geeignete kommerziell erhältliche Materialien, die als Ionomere eingesetzt werden können, sind per- und/oder teilfluorierte Polymere wie „Dow Experimental Membrane" (Dow Chemicals USA), Aciplex® (Asahi Chemicals, Japan), Raipure R-1010 (Pall Rai Manufacturing Co. USA), Flemion (Asahi Glas, Japan) und Raymion® (Chlorin Engineering Cop., Japan).
  • Weitere geeignete Bestandteile der erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembranen sind z. B. anorganische und/oder organische Verbindungen in Form von niedermolekularen oder polymeren Feststoffen, die z. B. in der Lage sind, Protonen aufzunehmen oder abzugeben. Die nachstehend aufgeführten anorganischen und/oder organischen Verbindungen können als Füllstoffpartikel dienen.
  • Geeignete solcher Verbindungen sind beispielsweise:
    • – SiO2-Partikel, die z.B. sulfoniert oder phosphoryliert sein können.
    • – Schichtsilikate wie beispielweise Bentonite, Montmorillonite, Serpentin, Kalinit, Talk, Pyrophylitt, Glimmer. Hinsichtlich weiterer Details sei auf Hollemann-Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 91.–100. Auflage, S. 771 ff (2001) verwiesen.
    • – Alumosilikate wie beispielsweise Zeolithe.
    • – Nicht-wasserlösliche organische Carbonsäuren wie beispielsweise solche mit 5 bis 30, bevorzugt mit 8 bis 22, besonders bevorzugt mit 12 bis 18 Kohlenstoffatomen, mit linearem oder verzweigtem Akylrest, die gegebenenfalls eine oder mehrere weitere funktionelle Gruppen aufweisen, wobei als funktionelle Gruppen insbesondere Hydroxylgruppen, C-C-Doppelbindungen oder Carbonylgruppen zu nennen sind. Beispielsweise seien folgende Carbonsäuren genannt: Valeriansäure, Isovaleriansäure, 2-Methylbuttersäure, Pivalinsäure, Capronsäure, Önanthsäure, Caprylsäure, Pelergonsäure, Caprinsäure, Undecansäure, Laurinsäure, Tridecansäure, Myristinsäure, Pentadecansäure, Palmitinsäure, Margarinsäure, Stearinsäure, Nonadecansäure, Arachinsäure, Behensäure, Lignocerinsäure, Cerotinsäure, Melissinsäure, Tubercolostearinsäure, Palmitoleinsäure, Ölsäure, Erucasäure, Sorbinsäure, Linolsäure, Linolensäure, Elaeostearinsäure, Arachi donsäure, Culpanodonsäure und Docosahexansäure oder Gemische aus zwei oder mehr davon.
    • – Polyphosphorsäuren, wie sie beispielsweise in Hollemann-Wiberg, a.a.O., S. 659 ff. beschrieben sind.
    • – Gemische aus zwei oder mehr der oben genannten Feststoffe.
    • – Zirkonphosphate, Zirkonphosphonate, Heteropolysäuren.
  • Geeignete nicht ionenleitende Polymere, worunter solche Polymere verstanden werden, die keine Sulfonsäure-, Carbonsäure- oder Phosphonsäuregruppen enthalten, sind z. B.:
    • – Polymere mit aromatischem Backbone wie beispielsweise Polyimide, Polysulfone, Polyethersulfone wie beispielsweise Ultrason®, Polybenzimidazole.
    • – Polymere mit fluoriertem Backbone wie beispielsweise Teflon® oder PVDF.
    • – Thermoplastische Polymere oder Copolymere wie beispielsweise Polycarbonate wie beispielsweise Polyethylencarbonat, Polypropylencarbonat, Polybutadiencarbonat oder Polyvinylidencarbonat oder Polyurethane, wie sie unter anderem in der WO 98/44576 beschrieben sind.
    • – Vernetzte Polyvinylalkohole.
    • – Vinylpolymere wie
    • – Polymere und Copolymere des Styrols oder Methylstyrols, Vinylchlorids, Acrylnitrils, Methacrylnitrils, N-Methylpyrrolidons, N-Vinylimidazols, Vinylacetats, Vinylidenfluorids.
    • – Copolymere aus Vinylchlorid und Vinylidenchorid, Vinylchlorid und Acrylnitril, Vinylidenfluorid und Hexafluorpropylen.
    • – Terpolymere aus Vinylidenfluorid und Hexafluorpropylen sowie einer Verbindung aus der Gruppe bestehend aus Vinylfluorid, Tetrafluorethylen und Trifluorethylen.
  • Derartige Polymere sind beispielsweise in der US 5,540,741 offenbart, deren diesbezüglicher Offenbarungsgehalt vollumfänglich in den Kontext der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird.
    • – Phenol-Formaldehydharze, Polytrifluorstyrol, Poly-2,6-diphenyl-1,4-phenylenoxid, Polyarylethersulfone, Polyarylenethersulfone, phosphoniertes Poly-2,6-dimethyl-1,4-phenylenoxid.
    • – Homo-, Block- und Copolymere, hergestellt aus:–
    • – Olefinischen Kohlenwasserstoffen wie beispielsweise Ethylen, Propylen, Butylen, Isobuten, Propen, Hexen oder höheren Homologen, Butadien, Cyclopenten, Cyclohexen, Norbornen, Vinylcyclohexan.
    • – Acrylsäure oder Methacrylsäureestern wie beispielsweise Methyl-, Ethyl, -Propyl-, Isopropyl-, Butyl-, Isobutyl-, Hexyl-, Octyl-, Decyl-, Dodecyl-, 2-Ethylhexyl-, Cyclohexyl-, Benzyl-, Trifluoromethyl-, oder Hexafluoropropylester oder Tetrafluoropropylacrylat oder Tetrafluoropropylmethacrylat.
    • – Vinylethern wie beispielsweise Methyl-, Ethyl,- Propyl-, Isopropyl-, Butyl-, Isobutyl-, Hexyl-, Octyl-, Decyl-, Dodecyl-, 2-Ethylhexyl-, Cyclohexyl-, Benzyl-, Trifluoromethyl-, oder Hexafluoropropyl- oder Tetrafluoropropyl-Vinylether.
  • Die genannten nicht ionenleitenden Polymere können in vernetzter oder unvernetzter Form eingesetzt werden.
  • Gleiches gilt für die vorstehend genannten Ionomere. Diese können ebenfalls in vernetzter oder unvernetzter Form eingesetzt werden.
  • Herstellungsverfahren für die nicht ionenleitenden Polymere sind dem Fachmann bekannt. Einige der genannten nicht ionenleitenden Polymere sind kommerziell erhältlich.
  • Geeignete Katalysatoren, z. B. Peroxid-zersetzende Katalysatoren, die zusätzlich in den ionenleitenden Polymerelektrolytmembranen gemäß der vorliegenden Anmeldung enthalten sein können, sind dem Fachmann bekannt. Geeignete einsetzbare Katalysatoren sind z. B. die Elemente der Platingruppe, die diffundierenden Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser rekombinieren lassen und damit die Membran intern befeuchten und gleichzeitig den Übertritt des jeweiligen Gases zur anderen Elektrode verhindern.
  • Geeignete Stabilisatoren, die ebenfalls zusätzlich in den erfindungsgemäßen Polymerelektrolytmembranen enthalten sein können, sind z. B. Antioxidantien oder HALS-Verbindungen. Neben den vorstehend genannten anorganischen Materialien, können weitere anorganische Materialien in den erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembranen enthalten sein, z. B. Silikate oder Schichtsilikate, die z. B. als Barriereschicht (z. B. für Methanol) dienen können.
  • Die erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembranen enthalten im Allgemeinen 50 bis 100 Gew.-%, bevorzugt 65 bis 100 Gew.-%, besonders bevorzugt 80 bis 100 Gew.-% mindestens eines Ionomers, bezogen auf die Gesamtsumme des ersten und des zweiten Polymerelektrolytmembranmaterials. Weitere Komponenten, die in den ionenleitenden Polymerelektrolytmembranen enthalten sein können, sind die vorstehend erwähnten weiteren Polymere oder anderen Zusatzstoffe. Die Gesamtsumme aller in den erfindungsgemäßen Polymerelektrolytmembranen enthaltenen Komponenten beträgt 100 Gew.-%.
  • Die Erhebungen der erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembranen sind – wie die Grundfläche – aus mindestens einem Ionomer sowie ggf. weiteren Verbindungen, die bereits vorstehend genannt sind, aufgebaut (zweites Polymerelektrolytmembranmaterial). Geeignete Ionomere sind ebenfalls vorstehend genannt. Die Erhebungen können dieselbe Zusammensetzung bezüglich des mindestens einen Ionomers und der weiteren Verbindungen aufweisen wie die Grundfläche, es ist jedoch auch möglich, dass die Erhebungen eine andere Zusammensetzung als die Grundfläche aufweisen, wie bereits vorstehend ausgeführt. Bevorzugt unterscheiden sich die Zusammensetzungen der Grundfläche und der Erhebungen d.h., dass das erste und das zweite Polymerelektrolytmembranmaterial verschieden sind.
  • Die Herstellung der erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembranen erfolgt ausgehend von einem oder mehreren verschiedenen Ionomeren oder Gemischen mit weiteren geeigneten Verbindungen, wie vorstehend definiert. Es wird zunächst eine Membran aus dem Ionomer bzw. den vorstehend genannten Gemischen, hergestellt, wobei die Herstellung gemäß dem Fachmann bekannten Verfahren erfolgt. Diese Membran bildet die Grundfläche der erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembran. Diese Membran wird anschließend mit Hilfe eines beliebigen geeigneten Verfahrens, wobei Membranmaterial aufgetragen wird, jedoch kein Materialabtrag bzw. keine Verdrängung von Polymerelektrolytmaterial der Grundfläche erfolgt, strukturiert. Geeignete Verfahren zur Strukturierung der Membran, d. h. zum Aufbringen der Erhebungen zur Herstellung der erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembran, sind z. B. Prägen/Rasterauftrag, strukturiertes Bedrucken wie Siebdruck, Hochdruck, Tiefdruck, Flexodruck, Offsetdruck, Tampondruck, Tintenstrahldruck oder strukturierter Sprühauftrag.
  • Die einzelnen Verfahren sind dem Fachmann bekannt. Geeignete Verfahren sind z.B. in A. Giessmann, „Substrat- und Textilbeschichtung", Springer, 1. Aufl., 2003 und in E. Stiebner „Bruckmanns Handbuch der Drucktechnik", Stiebner Verlag, 5. Aufl., 1992 beschrieben.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung einer ionenleitenden Polymerelektrolytmembran umfassend die Schritte:
    • a) Herstellung einer Membran mit einer Grundfläche mit einer einheitlichen Dicke d mit einer ersten Oberfläche auf der Oberseite der Grundfläche und einer zweiten Oberfläche auf der Unterseite der Grundfläche, aufgebaut aus einem ersten Polymerelektrolytmembranmaterial,
    • b) dreidimensionale Strukturierung mindestens eines Teils mindestens einer Oberfläche der Grundfläche, durch Aufbringen einer Vielzahl von Erhebungen ausgehend von der Grundfläche, aufgebaut aus einem zweiten Polymerelektrolytmembranmaterial oder durch Aufbringen einer Schicht aufgebaut aus dem zweiten Polymerelektrolytmembranmaterial auf die Grundfläche und dreidimensionale Strukturierung dieser Schicht,
    wobei das erste und das zweite Polymerelektrolytmembranmaterial gleich oder verschieden sein können.
  • Schritt a)
  • Die Herstellung der Membran in Schritt a) erfolgt gemäß dem Fachmann bekannten Verfahren zur Herstellung einer Polymerelektrolytmembran. Geeignete Polymerelektrolytmembranmaterialien sind vorstehend genannt.
  • Schritt b)
  • Die Aufbringung der Erhebungen auf die Membran erfolgt gemäß beliebigen dem Fachmann bekannten Verfahren. Geeignete Verfahren sind z.B. Prägen/Rasterauftrag, strukturiertes Bedrucken wie Siebdruck, Hochdruck, Tiefdruck, Flexodruck, Offsetdruck, Tampondruck, Tintenstrahldruck oder strukturierter Sprühauftrag, wie bereits vorstehend erwähnt. Geeignete Polymerelektrolytmembranmaterialien sind ebenfalls vorstehend genannt. Es können die gleichen Materialien wie in Schritt a) eingesetzt werden oder von den in Schritt a) eingesetzten Polymerelektrolytmembranmaterialien verschiedene Polymerelektrolytmembranmaterialien.
  • Bevorzugt erfolgt die Aufbringung in Schritt b) mittels Prägen/Rasterauftrag, Tiefdruck oder Flexodruck, besonders bevorzugt Tiefdruck.
  • Erfolgt das Aufbringen der Vielzahl von Erhebungen durch Aufbringen einer Schicht aufgebaut aus dem zweiten Polymerelektrolytmembranmaterial auf die Grundfläche und dreidimensionale Strukturierung dieser Schicht, so kann dies z.B. mittels Prägen erfolgen, umfassend die folgenden Schritte:
    • i) Aufbringen eines zweiten Polymerelektrolytmembranmaterials auf die aus einem ersten Polymerelektrolytmembranmaterial aufgebaute Grundfläche der Polymerelektrolytmembran, z. B. durch Rakeln;
    • ii) anschließendes Prägen des zweiten Polymerelektrolytmembranmaterials.
  • Es ist ebenfalls möglich, dass das zweite Polymerelektrolytmembranmaterial zusätzlich Füllstoffpartikel, z.B. anorganische Materialien oder Polymerpartikel, enthält. Solche Füllstoffpartikel sind vorstehend genannt. Bei einer Aufbringung des zweiten Polymerelektrolytmembranmaterials aus einer entsprechenden Lösung, die zusätzlich Füllstoffpartikel enthält, kann nach Entfernung des Lösungsmittels eine dreidimensional strukturierte Membran erhalten werden, wobei die Füllstoffpartikel zumindest teilweise aus der Polymerelektrolytoberfläche ragen können. Es ist jedoch ebenso möglich, dass die Partikel keinen Beitrag zur dreidimensionalen Strukturierung leisten.
  • Zur Aufbringung wird das die Erhebungen bildende oder die dreidimensional strukturierte Schicht bildende Ionomer (zweites Polymerelektrolytmembranmaterial) im Allgemeinen aus einem Lösungsmittel angebracht, das das erste Polymerelektrolytmembranmaterial, das die Grundfläche bildet, leicht anlöst. Geeignete Lösungsmittel sind z. B. DMAc, DMF, NMP, DMSO oder Gemische davon. Auf diese Weise sind das erste und das zweite Polymerelektrolytmembranmaterial „fest miteinander verbunden".
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine ionenleitende Polymerelektrolytmembran hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
  • Die erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembranen eignen sich zur Aufbringung von weiteren Schichten, die auf Grund der großen Oberfläche der erfindungsgemäßen Polymerelektrolytmembranen besonders gut haften, so dass eine Delaminierungsneigung der einzelnen Schichten gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Verbundstrukturen verringert wird. Bevorzugt wird/werden auf die erfindungsgemäße ionenleitende Polymerelektrolytmembran eine oder zwei Katalysatorschichten aufgebracht, wobei eine auf der Oberseite der erfindungsgemäßen Polymerelektrolytmembran aufgebracht wird und ggf. eine weitere Katalysatorschicht auf der Unterseite der erfindungsgemäßen Polymerelektrolytmembran aufgebracht wird. Die Aufbringung von Katalysatorschichten auf Polymerelektrolytmembranen ist dem Fachmann bekannt.
  • Bevorzugt wird/werden eine oder zwei Katalysatorschicht(en) durch Aufbringung von Katalysatortinte erzeugt. Solche Katalysatortinten sind dem Fachmann bekannt und enthalten im Allgemeinen mindestens einen Elektrokatalysator, mindestens einen Elektronenleiter, mindestens einen Polymerelektrolyt und mindestens einen Lösungsmittel. Des Weiteren können die Katalysatortinten zusätzlich Füllstoffpartikel enthalten. Geeignete Füllstoffpartikel sind vorstehend genannt.
  • Geeignete Elektrokatalysatoren sind im Allgemeinen Platingruppenmetalle wie Platin, Palladium, Iridium, Rhodium, Ruthenium oder Mischungen davon. Diese liegen in dem Elektrokatalysator im Allgemeinen in der Oxidationsstufe 0 vor. Die katalytisch aktiven Metalle oder Mischungen verschiedener Metalle können weitere Legierungszusätze wie Kobalt, Chrom, Wolfram, Molybdän, Vanadium, Eisen, Kupfer, Nickel, Silber, Gold usw. enthalten.
  • Welches Platingruppenmetall eingesetzt wird, hängt von dem geplanten Einsatzfeld der fertigen Brennstoffzelle bzw. Elektrolysezelle ab. Wird eine Brennstoffzelle hergestellt, die mit Wasserstoff als Brennstoff betrieben werden soll, so ist es ausreichend, wenn nur Platin als katalytisch aktives Metall eingesetzt wird. Die entsprechend eingesetzte Katalysatortinte enthält in diesem Fall als aktives Edelmetall Platin. Diese Katalysatorschicht kann in einer Brennstoffzelle sowohl für die Anode als auch für die Kathode eingesetzt werden.
  • Wird dagegen eine Brennstoffzelle hergestellt, die ein Kohlenmonoxid enthaltendes Reformatgas als Brennstoff verwendet, so ist es vorteilhaft, wenn der Anodenkatalysator eine möglichst hohe Resistenz gegenüber einer Vergiftung durch Kohlenmonoxid aufweist. In einem solchen werden bevorzugt Elektrokatalysatoren auf der Basis von Platin/Ruthenium eingesetzt. Auch bei Herstellung einer Direktmethanolbrennstoffzelle werden bevorzugt Elektrokatalysatoren auf der Basis von Platin/Ruthenium eingesetzt. Zur Herstellung der Anodenschicht in einer Brennstoffzelle ist es in einem solchen Fall daher bevorzugt, dass die eingesetzte Katalysatortinte beide Metalle aufweist. Zur Herstellung einer Kathodenschicht ist es in diesem Falle im Allgemeinen ausreichend, wenn als katalytisch aktives Metall Platin allein eingesetzt wird. Es ist somit möglich, dass dieselbe Katalysatortinte für eine beidseitige Beschichtung der erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembran mit Katalysatortinte eingesetzt wird. Es ist jedoch ebenfalls möglich, dass verschiedene Katalysatortinten zur Beschichtung der Oberflächen der erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembran eingesetzt werden.
  • Die Katalysatortinte enthält des Weiteren im Allgemeinen einen Elektronenleiter. Geeignete Elektronenleiter sind dem Fachmann bekannt. Im Allgemeinen handelt es sich bei dem Elektronenleiter um elektrisch leitfähige Kohlenstoffpartikel. Als elektrisch leitfähige Kohlenstoffpartikel können alle auf dem Gebiet von Brennstoff- bzw. Elektrolysezellen bekannten Kohlenstoffmaterialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und großer Oberfläche eingesetzt werden. Bevorzugt werden Russe, Grafit oder Aktivkohlen verwendet.
  • Des Weiteren enthält die Katalysatortinte bevorzugt einen Polyelektrolyt, wobei es sich bei dem Polyelektrolyt um mindestens ein Ionomer handeln kann, wie vorstehend beschrieben. Dieses Ionomer wird in der Katalysatortinte in gelöster Form oder als Dispersion eingesetzt. Bevorzugte Ionomere sind die vorstehend genannten Ionomere.
  • Des Weiteren enthält die Katalysatortinte im Allgemeinen ein Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch. Geeignete Lösungsmittel sind solche, worin das Ionomer (Polyelektrolyt) gelöst werden kann. Solche Lösungsmittel sind dem Fachmann bekannt. Beispiele für geeignete Lösungsmittel sind Wasser, ein- und mehrwertige Alkohole, N-haltige polare Lösungsmittel, Glykole sowie Glykoletheralkohole und Glykolether. Insbesondere geeignet sind beispielsweise Propylenglykol, Dipropylenglykol, Glycerin, Ethylenglykol, Hexylenglykol, Dimethylacetamid, N-Methylpyrrolidon und Mischungen davon.
  • Das Gewichtsverhältnis von Elektronenleiter (bevorzugt leitfähige Kohlenstoffpartikel) zu Polyelektrolyt (Ionomer) in der Katalysatortinte beträgt im Allgemeinen 5 : 1 bis 1 : 1, bevorzugt 4 : 1 bis 2 : 1. Das Gewichtsverhältnis von Elektrokatalysator zu dem Elektronenleiter (bevorzugt leitfähige Kohlenstoffpartikel) beträgt im Allgemeinen 1 : 10 bis 5 : 1.
  • Die Katalysatortinte wird im Allgemeinen in homogen dispergierter Form auf die erfindungsgemäße ionenleitende Polymerelektrolytmembran aufgetragen. Zur Herstellung einer homogen dispergierten Tinte können bekannte Hilfsmittel zum Einsatz kommen, z. B. Hochgeschwindigkeitsrührer, Ultraschall oder Kugelmühlen.
  • Die homogenisierte Tinte kann anschließend mittels verschiedenen Techniken auf die erfindungsgemäße ionenleitende Polymerelektrolytmembran aufgebracht werden. Geeignete Techniken sind Drucken, Sprühen, Rakeln, Walzen, Pinseln und Streichen.
  • Anschließend wird die aufgebrachte Katalysatorschicht getrocknet. Geeignete Trocknungsverfahren sind z. B. Heißlufttrocknung, Infrarottrocknung, Mikrowellentrocknung, Plasmaverfahren sowie Kombinationen dieser Verfahren.
  • Neben den vorstehend beschriebenen Verfahren zur Beschichtung der erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembran können andere dem Fachmann bekannte Verfahren zur Aufbringung einer Katalysatorschicht auf eine Polymerelektrolytmembran verwendet werden.
  • Es ist möglich, lediglich eine der Oberflächen der erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembran mit einer Katalysatorschicht zu beschichten oder beide Oberflächen der ionenleitenden Polymerelektrolytmembran mit jeweils einer Katalysatorschicht zu beschichten.
  • Werden beide Seiten, also die Oberseite und die Unterseite der erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembran, mit einer Katalysatorschicht beschichtet, wird eine sogenannte katalysatorbeschichtete Membran (CCM, Catalyst Coated Membran) erhalten. Diese weist somit auf einer Seite der erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembran eine Anodenkatalysatorschicht und auf der zweiten Seite eine Kathodenkatalysatorschicht auf.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist daher eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM, Catalyst Coated Membrane), enthaltend eine erfindungsgemäße ionenleitende Polymerelektrolytmembran. Bevorzugte CCMs werden durch Aufbringung einer Katalysatortinte auf die erfindungsgemäße ionenleitende Polymerelektrolytmembran hergestellt. Besonders bevorzugt sind CCMs, die gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt werden, bevorzugt unter Einsatz einer vorstehend beschriebenen Katalysatortinte.
  • Zwei bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen CCM sind in 3a und 3b dargestellt.
  • Darin bedeuten:
    • M
    erfindungsgemäße ionenleitende Polymerelektrolytmembran
    K
    Katalysatorschicht
  • Die in 3a gezeigte Ausführungsform weist die gesamte Oberfläche der ionenleitenden Polymerelektrolytmembran Erhebungen auf. Die Katalysatorschicht erstreckt sich ebenfalls über die gesamte Oberfläche der ionenleitenden Polymerelektrolytmembran.
  • Die in 3b dargestellte Ausführungsform weist nur ein Teil der Oberfläche der ionenleitenden Polymerelektrolytmembran Erhebungen auf. Nur dieser Teil ist mit einer Katalysatorschicht beschichtet.
  • Es sind zahlreiche weitere Ausführungsformen von CCMs denkbar, beispielsweise in der Form, dass die Erhebungen auf der Grundfläche der erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembran oder auf der Oberfläche des zweiten Polymerelektrolytmembranmaterials andere und ggf. unterschiedliche Formen aufweisen, andere und ggf. unterschiedliche Abstände aufweisen sowie andere und ggf. unterschiedliche Höhen aufweisen. Des Weiteren können die Erhebungen auf der Oberseite der erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembran und auf der Unterseite der erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembran verschieden sein, d. h. die Erhebungen auf beiden Seiten der erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembran sind nicht symmetrisch aufgebracht.
  • Die erfindungsgemäße CCM kann neben dem vorstehend beschriebenen Verfahren nach anderen dem Fachmann bekannten Verfahren hergestellt werden, soweit eine Katalysator beschichtete Membran erhalten wird, die eine erfindungsgemäße ionenleitende Polymerelektrolytmembran enthält.
  • Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer CCM ist z. B. ein Verfahren gemäß der nicht vorveröffentlichten Anmeldung mit dem deutschen Aktenzeichen 10 2005 038 612.1 und dem Titel „Verfahren zur Herstellung von beidseitig Katalysator beschichteten Membranen".
  • Diese Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von beidseitig katalysatorbeschichteten Membranen für elektrochemische Vorrichtungen, gekennzeichnet durch
  • A) Herstellen eines ersten Halbzeugs durch
    • – Aufbringen einer ersten Ionomerschicht auf einen ersten Träger,
    • – Aufbringen einer Anodenkatalysatorschicht auf eine erste Ionomerschicht unter Verwendung einer ersten Katalysatortinte,
    • – Trocknen der Anodenkatalysatorschicht und
    • – Entfernen des ersten Trägers von der ersten Ionomerschicht,
  • B) Herstellen eines zweiten Halbzeugs durch
    • – Aufbringen einer zweiten Ionomerschicht auf einen zweiten Träger,
    • – Aufbringen einer Kathodenkatalysatorschicht auf die zweite Ionomerschicht unter Verwendung einer zweiten Katalysatortinte,
    • – Trocknen der Katalysatorschicht und
    • – Entfernen des zweiten Trägers von der zweiten Ionomerschicht,
  • C) Verbinden des ersten Halbzeugs mit dem zweiten Halbzeug durch ein Verbinden der ersten Ionomerschicht mit der zweiten Ionomerschicht.
  • In diesem Verfahren werden gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt erfindungsgemäße ionenleitende Polymerelektrolytmembranen als Ionomerschicht eingesetzt, die jeweils auf einer der Oberflächen eine dreidimensionale Strukturierung in Form einer Vielzahl von Erhebungen ausgehend von der Grundfläche oder auf der Oberfläche des zweiten Polymerelektrolytmembranmaterials aufweisen.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen des vorstehend genannten Verfahrens sind in der Anmeldung mit dem deutschen Aktenzeichen 10 2005 038 612.1 genannt.
  • Die CCM kann mindestens auf einer Seite, d. h., entweder auf der Seite, auf der die Anodenkatalysatorschicht aufgebracht ist, oder auf der Seite, auf der die Kathodenkatalysatorschicht aufgebracht ist, mit einer Diffusionsschicht versehen werden. Es ist ebenfalls möglich, dass sowohl die Anoden- als auch die Kathodenkatalysatorschicht jeweils mit einer Gasdiffusionsschicht versehen werden. Die Gasdiffusionsschicht kann als mechanischer Träger für die Elektrode dienen und sorgt für eine gute Verteilung des jeweiligen Gases über die entsprechende Katalysatorschicht sowie für ein Ableiten von Elektronen. Eine solche Gasdiffusionsschicht (Gasverteilerschicht) wird insbesondere dann benötigt, wenn die CCM in Brennstoffzellen eingesetzt wird, die mit Wasserstoff einerseits und mit Sauerstoff bzw. Luft andererseits betrieben werden. Geeignete Materialien der Gasdiffusionsschicht sind dem Fachmann bekannt. Beispiele sind Kohlefaserpapier oder Kohlevlies.
  • Bevorzugt weist jede der Katalysatorschichten der CCM eine Gasdiffusionsschicht auf, d. h. die Anodenkatalysatorschicht ist mit einer ersten Gasdiffusionsschicht verbunden und die Kathodenkatalysatorschicht ist mit einer zweiten Gasdiffusionsschicht verbunden. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung sind Verbundkörper, die aus einer ionenleitenden Polymerelektrolytmembran gemäß der vorliegenden Erfindung, jeweils einer auf die Oberseite der Polymerelektrolytmembran und auf die Unterseite der Polymerelektrolytmembran aufgebrachten Katalysatorschicht (Anodenkatalysator und Kathodenkatalysatorschicht) und eine auf die jeweilige Katalysatorschicht aufgebrachten Gasdiffusionsschicht aufgebaut sind, Membran-Elektroden-Einheiten (MEA, Membrane Electrode Assembly).
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist daher eine MEA enthaltend eine erfindungsgemäße ionenleitende Polymerelektrolytmembran. Geeignete Katalysatorschichten und Gasdiffusionsschichten zur Herstellung einer MEA sind dem Fachmann bekannt und Beispiele sind bereits vorstehend genannt. Herstellungsverfahren zur Herstellung einer MEA gemäß der vorliegenden Erfindung sind dem Fachmann bekannt.
  • Zwei bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen MEA sind in 4a und 4b dargestellt.
  • Darin bedeuten:
    • M
    erfindungsgemäße ionenleitende Polymerelektrolytmembran
    K
    Katalysatorschicht
    G
    Gasdiffusionsschicht
  • Die in 4a gezeigte Ausführungsform weist die gesamte Oberfläche der ionenleitenden Polymerelektrolytmembran Erhebungen auf. Die Katalysatorschicht erstreckt sich ebenfalls über die gesamte Oberfläche der ionenleitenden Polymerelektrolytmembran.
  • Die in 4b dargestellte Ausführungsform weist nur ein Teil der Oberfläche der ionenleitenden Polymerelektrolytmembran Erhebungen auf. Nur dieser Teil ist mit einer Katalysatorschicht beschichtet.
  • Die CCMs und MEAs enthaltend die erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembranen haben den Vorteil, dass durch die größere Oberfläche der erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembranen gegenüber Polymerelektrolytmembranen gemäß dem Stand der Technik eine bessere Verzahnung der Membran mit der Katalysatorschicht erzielt wird, so dass eine gute Anbindung der Katalysatorschicht an die Membran erreicht wird, wodurch es zu geringen Übergangswiderständen und zu einer geringen Delaminationsneigung kommt. Darüber hinaus stellen die Erhebungen von der Grundfläche der erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembran durch ihren hydrophilen Charakter Kanäle des Ionentransports bzw. Wassertransports in und aus der Membran in die Elektrodenschichten dar, so dass sowohl der Ionenleitwiderstand als der Wasserhaushalt der Elektrodenschichten verbessert werden. Des Weiteren führt die dreidimensionale Strukturierung der erfindungsgemäßen ionenleitfähigen Polymerelektrolytmembran zu einer mechanischen Stabilisierung der Membran bzw. eine geringe Formveränderung (Quellung). Schließlich kann durch die Vergrößerung der Oberfläche der auf die Membran aufgebrachten Katalysatorschicht eine Einsparung an Edelmetall in den Katalysatorschichten erreicht werden.
  • Die erfindungsgemäße ionenleitende Polymerelektrolytmembran ist für den Einsatz in Brennstoff- sowie Elektrolysezellen geeignet. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist daher eine Brennstoffzelle bzw. eine Elektrolysezelle enthaltend mindestens eine erfindungsgemäße ionenleitende Polymerelektrolytmembran. Weitere Bestandteile von Brennstoff- bzw. Elektrolysezellen sind dem Fachmann bekannt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Anmeldung eine Brennstoffzelle enthaltend mindestens eine erfindungsgemäße CCM sowie eine Brennstoffzelle enthaltend mindestens eine erfindungsgemäße MEA.
  • Die erfindungsgemäßen ionenleitenden Polymerelektrolytmembranen sind somit hervorragend zur Verwendung in Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen geeignet. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist daher die Verwendung von mindestens einer ionenleitenden Polymerelektrolytmembran gemäß der vorliegenden Erfindung in Brennstoffzellen oder in Elektrolysezellen.

Claims (15)

  1. Ionenleitende Polymerelektrolytmembran aufgebaut aus einer Grundfläche mit einer einheitlichen Dicke d mit einer ersten Oberfläche auf der Oberseite der Grundfläche und einer zweiten Oberfläche auf der Unterseite der Grundfläche, aufgebaut aus einem ersten Polymerelektrolytmembranmaterial, wobei mindestens ein Teil mindestens einer Oberfläche eine dreidimensionale Strukturierung aufgebaut aus mindestens einem zweiten Polymerelektrolytmembranmaterial aufweist, wobei das erste und das zweite Polymerelektrolytmembranmaterial gleich oder verschieden sein können, und die Strukturierung mittels Aufbringung des zweiten Polymerelektrolytmembranmaterials auf die Grundfläche und gegebenenfalls weitere Bearbeitung erhalten wird.
  2. Ionenleitende Polymerelektrolytmembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung in Form einer Vielzahl von Erhebungen ausgehend von der Grundfläche oder in Form einer auf die Grundfläche aufgebrachten dreidimensional strukturierten Schicht aufgebaut aus dem zweiten Polymerelektrolytmembranmaterial vorliegt, wobei die dreidimensionale Strukturierung der aus dem zweiten Polymerelektrolytmembranmaterial aufgebauten Schicht durch eine Vielzahl von Erhebungen auf der Oberfläche der Schicht gebildet wird.
  3. Ionenleitende Polymerelektrolytmembran nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen eine maximale Höhe h aufweisen, wobei die maximale Höhe h 0,1 bis 100 % der Dicke d der Grundfläche beträgt, wobei die Erhebungen jeweils dieselbe oder verschiedene Höhen aufweisen können.
  4. Ionenleitende Polymerelektrolytmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen eine Basisfläche aufweisen, die mit der Grundfläche der Polymerelektrolytmembran oder der Oberfläche der aus dem zweiten Polymerelektrolytmembranmaterial aufgebauten Schicht verbunden ist, wobei jede Basisfläche jeder Erhebung einen Mittelpunkt aufweist und die Mittelpunkte der Basisflächen jeder Erhebung jeweils einen Abstand a voneinander aufweisen, der 0,1 bis 100 % der Dicke d der Grundfläche der Polymerelektrolytmembran beträgt, wobei die jeweiligen Abstände gleich oder verschieden sein können.
  5. Ionenleitende Polymerelektrolytmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen Formen aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lamellen, Zylindern, Halbkugeln, Pyramiden, Pyramidenstümpfen, Prismen, Kegeln, Kegelstümpfen, Würfeln, Quadern, beliebigen Kombinationen der genannten Formen und vollständig unregelmäßigen Formen, wobei die jeweiligen Formen der einzelnen Erhebungen gleich oder verschieden sein können.
  6. Ionenleitende Polymerelektrolytmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Polymerelektrolytmembranmaterial der ionenleitenden Polymerelektrolytmembran mindestens ein Ionomer enthalten, das Sulfonsäure-, Carbonsäure- und/oder Phosphonsäuregruppen aufweist.
  7. Ionenleitendes Polymerelektrolytmembran nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ionomer ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus perfluorierten sulfonierten Kohlenwasserstoffen, Sulfonsäuregruppen enthaltende Polymere, wie sulfonierte aromatischen Polymere, Polyvinylsulfonsäure, Copolymeren von Acrylnitril und 2-Acrylamido-2-methyl-1-propansulfonsäure, Acrylnitril und Vinylsulfonsäure, Acrylnitril und Styrolsulfonsäure, Acrylnitril und Methacryloxyethylenoxypropansulfonsäure, Acrylnitril und Methacryloxyethylen-oxytetrafluoroethylensulfonsäure, sulfonierten Polyphosphazenen, sulfonierten Polyphenylsiloxanen und deren Copolymeren, Poly(sulfoalkoxy)phosphazenen, Poly(sulfotetrafluoroethoxypropoxy)-siloxanen, Polyacrylsäuren und ihren Copolymeren, Polymethacrylsäuren und ihren Copolymeren, Polyvinylphosphorsäure, Polybenzimidazolphosphorsäure, phosphonierten Polyphenylenoxiden und den teilweise oder vollständig fluorierten Derivaten der vorstehend genannten Polymere.
  8. Ionenleitende Polymerelektrolytmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Polymerelektrolytmembranmaterial verschieden sind.
  9. Verfahren zur Herstellung einer ionenleitenden Polymerelektrolytmembran umfassend die Schritte: a) Herstellung einer Membran mit einer Grundfläche mit einer einheitlichen Dicke d mit einer ersten Oberfläche auf der Oberseite der Grundfläche und einer zweiten Oberfläche auf der Unterseite der Grundfläche, aufgebaut aus einem ersten Polymerelektrolytmembranmaterial, b) dreidimensionale Strukturierung mindestens eines Teils mindestens einer Oberfläche der Grundfläche, durch Aufbringen einer Vielzahl von Erhebungen ausgehend von der Grundfläche, aufgebaut aus einem zweiten Polymerelektrolytmembranmaterial oder durch Aufbringen einer Schicht aufge baut aus dem zweiten Polymerelektrolytmembranmaterial auf die Grundfläche und dreidimensionale Strukturierung dieser Schicht, wobei das erste und das zweite Polymerelektrolytmembranmaterial gleich oder verschieden sein können.
  10. Ionenleitende Polymerelektrolytmembran hergestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 9.
  11. CCM enthaltend mindestens eine ionenleitende Polymerelektrolytmembran gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 10.
  12. MEA enthaltend mindestens eine ionenleitende Polymerelektrolytmembran gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 9 oder eine CCM gemäß Anspruch 10.
  13. Brennstoffzelle enthaltend mindestens eine ionenleitende Polymerelektrolytmembran gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 10, mindestens eine CCM gemäß Anspruch 11 oder mindestens eine MEA gemäß Anspruch 12.
  14. Elektrolysezelle enthaltend mindestens eine ionenleitende Polymerelektrolytmembran gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 10.
  15. Verwendung mindestens einer ionenleitenden Polymerelektrolytmembran gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 10 in Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen.
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