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Die Erfindung betrifft eine Membran für eine Brennstoffzelle, welche mit einer zum Katalysieren der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle ausgebildeten Katalysatorschicht beschichtbar ist. Eine der aufzubringenden Katalysatorschicht zugewandte Oberfläche der Membran weist eine Mehrzahl von Erhebungen auf. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Fertigen einer solchen Membran.
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Die
US 2003/0170519 A1 beschreibt eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) für eine Brennstoffzelle. In der Brennstoffzelle sind eine Anode und eine Kathode durch die Polymer-Elektrolyt-Membran getrennt. Um eine Oberfläche der Membran, welche mit der jeweiligen Elektrode in Kontakt ist, zu vergrößern, wird die Oberfläche der Membran mit einem Excimerlaser behandelt. Wenn der Strahl des Excimerlasers auf ein Substrat zur Herstellung der Membran gerichtet wird, führt dies zu einem Entfernen von Material aus dem Substrat, welches sich an unterschiedlichen Stellen auf dem Substrat in Form von Bruchstücken ablagert. Diese Bruchstücke schatten das unterlagernde Substrat von dem Licht des Excimerlasers ab, sodass das Abtragen von Material aus dem Substrat uneinheitlich erfolgt. An den Stellen, welche durch die Bruchstücke des Substrats von dem Licht des Lasers abgeschirmt sind, bilden sich entsprechend unregelmäßig geformte Erhebungen. Das Vorsehen einer solchen unregelmäßigen Oberflächenstruktur führt zu einer Vergrößerung der Oberfläche der Membran und somit zu einem Vergrößern der Kontaktfläche zwischen der Membran und den Elektroden.
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Des Weiteren ist es aus dem Stand der Technik bekannt, mittels eines Excimerlasers die Mikrostruktur von Oberflächen zu verändern. Der Excimerlaser eignet sich hierfür insbesondere deswegen, da die geringen, im ultravioletten Bereich liegenden Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung des Excimerlasers ein sehr feines Bearbeiten von Oberflächen zulassen. Zugleich führt die spezifische Photonenenergie des Excimerlaser zu einer sehr begrenzten Eindringtiefe des Lasers in das zu strukturierende Substrat.
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Als nachteilig bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Membran ist der Umstand anzusehen, dass sich mit dieser lediglich ein qualitativ nicht zufriedenstellender Kontakt der Membran mit der Katalysatorschicht erreichen lässt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Membran der eingangs genannten Art sowie ein entsprechendes Verfahren zu schaffen, welche bzw. welches einen verbesserten Kontakt zwischen der Membran und der Katalysatorschicht mit sich bringt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Membran mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Membran mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Membran durch eine Brennstoffzelle mit einer zum Katalysieren der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle ausgebildeten Katalysatorschicht beschichtbar. Hierbei weist eine der aufzubringenden Katalysatorschicht zugewandte Oberfläche der Membran eine Mehrzahl von Erhebungen auf, und die Erhebungen weisen in zumindest einer Raumrichtung gleiche Formen und Abmessungen auf. Durch eine solche, in zumindest einer Raumrichtung gleichmäßige Struktur der Oberfläche der Membran lässt sich einerseits ein verbesserter Kontakt zwischen der Membran und der Katalysatorschicht erreichen. Zudem hält die Katalysatorschicht besonders gut an der die regelmäßige Struktur aufweisenden Oberfläche der Membran. Gegenüber einer keine Erhebungen an der Oberfläche aufweisenden Membran ist zudem einer besonders großen Oberfläche der Membran geschaffen, was mit einer besonders großen Kontaktfläche zwischen der Membran und der Katalysatorschicht einhergeht. Dadurch kann bei Einsatz der mit der Katalysatorschicht beschichteten Membran in der Brennstoffzelle eine besonders hohe Leistung je Brennstoffzelle erreicht werden. Außerdem ist die Größe der Oberfläche der Membran besonders gut und prozesssicher in einer gewünschten, reproduzierbaren Bandbreite einstellbar.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Membran der eingangs genannten Art wenigstens zwei aneinander anliegende Schichten, wobei Erhebungen an einer Oberfläche einer ersten Schicht mit den Erhebungen an der Oberfläche einer zweiten Schicht korrespondieren, wobei die Oberfläche der zweiten Schicht der aufzubringenden Katalysatorschicht zugewandt ist. Durch das Vorsehen von wenigstens zwei Schichten der Membran können besonders gut bereichsweise unterschiedliche Eigenschaften der Membran eingestellt werden. Durch das Vorsehen von Erhebungen an der Oberfläche der ersten Schicht, welche mit entsprechenden Einbuchtungen an der zugewandten Oberfläche der zweiten Schicht korrespondieren, lässt sich zudem ein besonders inniger Kontakt der beiden Schichten miteinander sicherstellen, welcher zu einer hohen Leistungsfähigkeit der Membran führt. Des Weiteren ermöglichen die Erhebungen an der Oberfläche, welche der aufzubringenden Katalysatorschicht zugewandt ist, einen verbesserten Kontakt zwischen der Membran und der Katalysatorschicht.
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Das Ausbilden von Erhebungen an der Oberfläche der ersten Schicht kann insbesondere durch das Erzeugen von Kristallisationskeimen erfolgen, welche das Ausbilden von entsprechenden Strukturen in der nachträglich auf die erste Schicht aufgebrachten zweiten Schicht bewirken. Ferner ist es möglich, das Ausbilden von entsprechenden Strukturen in der nachträglich auf die erste Schicht aufgebrachten zweiten Schicht durch Einflussnahme auf die Selbstorganisation, oder durch Abzeichnen in der Oberfläche bewirken.
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Auch bei diesem Aspekt der Erfindung können die Erhebungen in zumindest einer Raumrichtung gleiche Formen und Abmessungen aufweisen.
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Wenn die Membran die wenigstens zwei aneinander anliegenden Schichten umfasst, hat es sich als vorteilhaft gezeigt, dass die Membran wenigstens einen Bereich mit gegenüber einem weiteren Bereich erhöhter Festigkeit und/oder wenigstens einen Bereich mit gegenüber einem weiteren Bereich erhöhter Durchlässigkeit für Protonen aufweist. Der Bereich erhöhter mechanischer Festigkeit kann insbesondere ein Randbereich der Membran sein, während die erhöhte Durchlässigkeit für Protonen insbesondere in einem Zentralbereich der Membran für ein besonders effizientes Ablaufen der elektrochemischen Reaktionen in der Brennstoffzelle sorgt.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Erhebungen auf der Oberfläche in zumindest zwei Raumrichtungen regelmäßig angeordnet sind. Die Raumrichtungen können insbesondere einer Länge und einer Breite der (im Allgemeinen flachen) Membran entsprechen. Eine solche regelmäßige und zweidimensionale Oberflächenstruktur der Membran lässt sich technisch besonders einfach und mit hoher Reproduzierbarkeit realisieren, und sie führt zu einem besonders guten und großflächigen Kontakt der Katalysatorschicht mit der Membran und zu einem besonders guten Halt der Katalysatorschicht an der Membran.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden bei einem Verfahren zum Fertigen einer Membran für eine Brennstoffzelle, welche mit einer zum Katalysieren der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle ausgebildeten Katalysatorschicht beschichtbar ist, an einer der Oberfläche der Katalysatorschicht zugewandten Oberfläche der Membran eine Mehrzahl von Erhebungen ausgebildet. Hierbei werden die Erhebungen so ausgebildet, dass sie in zumindest einer Raumrichtung gleiche Formen und Abmessungen aufweisen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden bei einem Verfahren zum Fertigen der Membran für eine Brennstoffzelle, bei welchem die Membran mit einer zum Katalysieren der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle ausgebildeten Katalysatorschicht beschichtbar ist, an einer der aufzubringenden Katalysatorschicht zugewandten Oberfläche der Membran eine Mehrzahl von Erhebungen ausgebildet. Zum Bilden der Membran werden hierbei wenigstens zwei Schichten miteinander in Anlage gebracht, wobei an einer Oberfläche einer ersten Schicht Erhebungen ausgebildet werden, welche das Ausbilden der Erhebungen an der Oberfläche einer zweiten Schicht bewirken. Hierbei ist die Oberfläche der zweiten Schicht der aufzubringenden Katalysatorschicht zugewandt.
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Die Ausführungsformen des ersten Aspekts der Erfindung gelten als auch bevorzugte Ausführungsformen des zweiten Aspekts der Erfindung und umgekehrt. Des Weiteren gelten die für die jeweilige erfindungsgemäße Membran beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen auch für die erfindungsgemäßen Verfahren.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine katalysatorbeschichtete Membran für eine Brennstoffzelle in einer schematischen Schnittansicht;
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2 eine stark schematisierte Zeichnung zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Strukturieren einer Oberfläche der Membran gemäß 1;
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3 eine stark schematisierte Zeichnung zum Veranschaulichen eines weiteren Verfahrens zum Strukturieren der Oberfläche der Membran gemäß 1;
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4 perspektivisch die Oberfläche der Membran gemäß 1; und
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5 eine stark schematisierte Zeichnung zum Veranschaulichen eines weiteren Verfahrens zum Herstellen einer Membran, welche aus zwei Schichten aufgebaut ist.
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Eine Membrananordnung 10 umfasst eine Membran 12, welche vorliegend als Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) ausgebildet ist, und welche beidseitig mit jeweils einer Katalysatorschicht 14, 16 beschichtet ist (vg. 1). Eine solche, mit den Katalysatorschichten 14, 16 versehene Membran 12 wird auch als katalysatorbeschichtete Membran (catalyst coated membrane, CCM) bezeichnet. An den Katalysatorschichten 14, 16 finden bei Nutzung der Membrananordnung 10 in einer (nicht gezeigten) Brennstoffzelle die elektrochemischen Reaktionen statt, welche der Erzeugung elektrischen Stroms dienen.
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Vorliegend sind eine Oberfläche 18 der Membran 12, welche der ersten Katalysatorschicht 14 zugewandt ist, und eine Oberfläche 20 der Membran 12, welche der zweiten Katalysatorschicht 16 zugewandt ist, strukturiert ausgebildet. Die Oberflächenstruktur umfasst eine Mehrzahl von regelmäßig ausgebildeten Erhebungen 22 und entsprechenden, zwischen den Erhebungen 22 angeordneten Vertiefungen 24. Durch das Vorsehen der strukturierten Oberflächen 18, 20 der Membran 12 lässt sich eine besonders große Kontaktfläche zwischen der Membran 12 und den Katalysatorschichten 14, 16 erreichen.
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Die Erhebungen 22, etwa in Form von regelmäßigen und gleichmäßig voneinander beabstandeten Rippen, welche ein Gitter oder auch ein hexagonales Muster bilden (vgl. 4), sind hierbei vorliegend in zwei aufeinander senkrecht stehenden Raumrichtungen regelmäßig ausgebildet und weisen in der jeweiligen Raumrichtung gleiche Formen und Abmessungen auf. Dies führt zu einem besonders guten Kontakt der Membran 12 mit den Katalysatorschichten 14, 16 und zu einer hohen Reproduzierbarkeit der vergrößerten Oberfläche der Membran 12.
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Zum Herstellen der Erhebungen 22 an den Oberflächen 18, 20 der Membran 12 kann ein Grundkörper 26 der Membran 12 mit einem Laser 28 bearbeitet werden (vgl. 2). Der Laser 28 ist bevorzugt als Excimerlaser ausgebildet, mit welchem sich eine besonders feine und genaue Mikrostruktur der Oberflächen 18, 20 der Membran 12 herstellen lässt.
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Ergänzend oder alternativ kann das Strukturieren der Oberflächen 18, 20 der Membran 12 dadurch erreicht werden, dass auf einen Träger, etwa auf eine Trägerfolie 30, ein Material 32 der Membran 12 aufgebracht wird, wobei eine Oberfläche der Trägerfolie 30 Einbuchtungen 34 aufweist, welche mit den zu formenden Erhebungen 22 der Membran 12 korrespondieren (vgl. 3). Das Strukturieren der Oberfläche der Trägerfolie 30 kann insbesondere durch einen Laser 28, bevorzugt durch einen Excimerlaser, bewerkstelligt werden. Das Material 32 der Membran 12, bei welchem es sich insbesondere um ein Perfluorsulfonsäure-Polymer (PFSA) handeln kann, wird hierbei mit einem Beschichtungssystem 36 aufgegeben, aus welchem es auf die strukturierte Oberfläche der Trägerfolie 30 gelangt. Hierbei passt sich die Oberflächenform des polymerischen Materials 32, welches die Membran 12 bildet, an die strukturierte Oberfläche der Trägerfolie 30 an.
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Alternativ können die Erhebungen 22 an der Oberfläche der Membran 12, welche den jeweiligen Katalysatorschichten 14, 16 zugewandt ist, in einem mehrstufigen Verfahren erhalten werden, bei welchem die Membran 12 aus wenigstens zwei Schichten 38, 40 aufgebaut wird (vgl. 5). Die beiden Schichten 38, 40 liegen in der Membran 12 aneinander an, und Erhebungen 42 an einer Oberfläche der ersten Schicht 38 sind durch Strukturieren derselben, insbesondere mittels des Lasers 28, gebildet. Die Oberfläche der ersten Schicht 38, an welcher die Erhebungen 42 ausgebildet sind, ist der zweiten Schicht 40 zugewandt. Die Erhebungen 22 an der Oberfläche der zweiten Schicht 40 werden erhalten, indem Material zur Bildung der zweiten Schicht 40 auf die mittels des Lasers 28 strukturierte erste Schicht 38 aufgebracht wird. Auch hier kann ein Beschichtungssystem 36 zum Einsatz kommen, um das polymerische Material zur Bildung der zweiten Schicht 40 auf die erste Schicht 38 aufzubringen.
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Durch das lokale Behandeln der Oberfläche der ersten Schicht 38 mit dem Laser 28 können an der Oberfläche Strukturen, etwa in Form von offenen Kohlenstoffketten, gebildet werden, die zur strukturierten Ausbildung der Oberfläche der zweiten Schicht 40 führen. Durch den Laser 28 können insbesondere Bereiche der Oberfläche der ersten Schicht 38 aktiviert werden und so Kristallisationskeime bereitstellen, welche das Anlagern der zweiten Schicht 40 begünstigen.
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Zusätzlich oder alternativ kann durch das Behandeln der Oberfläche der ersten Schicht 38 mit dem Laser 28 wenigstens ein Bereich derart inaktiviert werden, dass ein Sich-Anlagern der zweiten Schicht 40 in diesem Bereich verhindert oder zumindest erschwert ist. Auf diese Weise können in der zweiten Schicht 40 die Vertiefungen 24 hergestellt werden (vgl. 4), oder es können in der zweiten Schicht 40 gezielt Durchtrittsöffnungen erzeugt werden. Es kann durch das Bearbeiten der Oberfläche der ersten Schicht 38 mit dem Laser 28 die innere Struktur der mehrschichtigen Membran 12 wie gewünscht beeinflusst werden.
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In alternativen Ausführungsformen können anstelle der vorliegend lediglich schematisch gezeigten zwei Schichten 38, 40 auch mehr als zwei Schichten die Membran 12 aufbauen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Membrananordnung
- 12
- Membran
- 14
- Katalysatorschicht
- 16
- Katalysatorschicht
- 18
- Oberfläche
- 20
- Oberfläche
- 22
- Erhebung
- 24
- Vertiefung
- 26
- Grundkörper
- 28
- Laser
- 30
- Trägerfolie
- 32
- Material
- 34
- Einbuchtung
- 36
- Trichter
- 38
- Schicht
- 40
- Schicht
- 42
- Erhebung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2003/0170519 A1 [0002]
