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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einzelelektrodenplatte zur Verwendung in einer Brennstoffzelle. Sie betrifft weiterhin eine Brennstoffzelle, die eine Einzelelektronplatte enthält. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Einzelelektrodenplatte und eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Einzelelektrodenplatte als Kathode oder als Anode in einer Brennstoffzelle.
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Bekannte Brennstoffzellen funktionieren nach dem Prinzip der „kalten Verbrennung“. Bei PEM-Brennstoffzellen kommt ein Katalysator zum Einsatz, der auf der Anodenseite Wasserstoff und auf der Kathodenseite Sauerstoff spaltet. Dabei entstehen Protonen und Elektronen. Die Protonen diffundieren durch eine Membran, die elektronenundurchlässig ist. Das Heißt sie müssen außen herum durch einen Leiter fließen. Es entsteht Strom. Die Reaktionsbestandteile werden dann auf der Kathodenseite zu Wasser gebunden.
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Als Katalysator werden meist Platinpartikel verwendet, welche zusammen mit Graphitpartikeln auf ein Kohlenstoffgewebe aufgepresst werden. Dabei liegen die Katalysatorpartikel eingebettet in den Graphitpartikeln, die einen elektrischen Kontakt innerhalb der Brennstoffzelle herstellen sollen. Außerdem macht die Kohlefaser die Elektrode gasdurchlässig um die Reaktionsgase bis zum Katalysator zu bringen. Es können auch andere Edelmetalle benutzt werden welche jedoch meist einen geringeren Wirkungsgrad als Platin besitzen.
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An der Elektrode wird dann das Reaktionsgas aufgespalten und es entstehen Protonen. Diese müssen durch eine sogenannte PEM (Polymerelektrolytmembran) zur Kathodenseite transportiert werden. Dazu ist es nötig, dass die Elektrode einen direkten Kontakt zur PEM besitzt, da sonst die Protonen nicht durch die Membran auf die Kathodenseite gelangen können. Dieser Kontakt wird durch eine Heißpressvorgang der Elektroden und der PEM zu einer „MEA“ (membrane electrode assembly) erzeugt, in dem das Polymer der Membran sich mit den Elektroden verbindet. Je dichter der Katalysator an der Membran sitzt, desto besser können die Protonen zur Kathodenseite wandern und dort wieder gebunden werden.
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Daraus ergibt sich für die genannte Fertigungsmethode ein Nachteil, da der Katalysator teils tief im Graphit eingebettet ist. Die Protonen werden zwar durch das Graphit weitergeleitet, es entstehen jedoch Verluste durch diese Art von Protonenleitung, die die Leistungsfähigkeit senken.
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Ein weiterer Nachteil dieser Fertigungsmethode ist, dass Katalysatorpartikel verwendet werden müssen. Durch ihre Größe entstehen hohe Kosten, da die Edelmetalle meist sehr selten vorkommen. Auch ist die aktive Fläche im Vergleich zur Gesamtmasse sehr gering, da nur die äußerste Schicht der Partikel katalytisch aktiv sein kann. Das restliche Material innerhalb des Partikels bleibt ungenutzt, da es keine Reaktionsgase erreichen können. Auch bei einer Verkleinerung der Partikelgröße sind Grenzen gesetzt, da eine bestimmte Fläche erforderlich ist um katalytisch aktiv zu sein. Somit kann das Material nicht vollständig katalytisch genutzt werden.
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Es gibt auch alternative Methoden zur Herstellung von katalytischen Schichten und Brennstoffzellen. Es ist aus
EP 1 798 799 B1 bekannt, ganze Brennstoffzellen flächig integriert auf einem monokristallinen Siliziumschaltkreis herzustellen.
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In
US 2003 / 0 194 598 A1 ,
US 2003 / 0 044 674 A1 ,
US 2005 / 0 084 737 A1 und
US 2009 / 0 023 036 A1 sind Elektrodenstrukturen für Brennstoffzellen mit Katalysatorschichten oder Katalysatorpartikeln beschrieben.
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Auch in „Lang W.: Silicon microstructuring technology. In: Materials Science and Engineering: R: Reports, 17, September 1996, 1, 1-55.“ sind Substrate mit einer katalytischen Beschichtung beschrieben, die in Elektroden von Brennstoffzellen verwendet werden.
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Einen ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung bildet eine Einzelelektrodenplatte nach Anspruch 1 zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, mit einem Trägersubstrat und einer das Trägersubstrat auf mindestens einer ersten Substrathauptfläche bedeckenden Katalysatorschicht, wobei das Trägersubstrat aus mikroporösem Silizium gefertigt ist, dessen Mikroporen von der ersten Substrathauptfläche ausgehende und die gesamte Dicke des Trägersubstrats bis zu einer entgegengesetzten zweiten Substrathauptfläche durchdringende, anisotrop geätzte Kanäle sind, deren sich im Trägersubstrat erstreckende Seitenwände ebenfalls mit der Katalysatorschicht bedeckt sind.
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Neuartig an der erfindungsgemäßen Einzelelektrodenplatte im Vergleich zur siliziumbasierten Lösung der
EP 1 798 799 B1 ist, dass die Einzelelektrodenplatte der vorliegenden Erfindung lediglich eine alleinstehende Teilkomponente der Brennstoffzelle darstellt. Sie bildet ein von jeglichen weiteren Komponenten einer Brennstoffzelle unabhängiges Bauteil, das selbständig hergestellt wird und zur Herstellung einer Anode oder einer Kathode jeweils in eine Brennstoffzelle einzubauen ist. Zur Abgrenzung von integrierten Elektrodenformen, die in einem Siliziumträger sowohl die Anode als auch die Kathode enthalten, wird hier der Begriff Einzelelektrodenplatte verwendet. Die Einzelelektrodenplatte der vorliegenden Erfindung kann also in übliche Brennstoffzellen eingesetzt werden. Die Erfindung versucht nicht, eine komplette Brennstoffzelle in Silizium zu realisieren, wie es in
EP 1 798 799 B1 versucht wird.
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Ein Vorteil dieser Einzelelektrodenplatte bildet die Nutzung einer abgeschiedenen Katalysatorschicht, wobei die Betonung auf „abgeschieden“ und „Schicht“ liegt. Dies steht im Gegensatz zur Verwendung von aufgepressten (nicht abgeschiedenen), in einer Matrix eingebetteten Katalysatorpartikeln (keine Katalysatorschicht) im Stand der Technik. Die Katalysatorschicht der Einzelelektrodenplatte der vorliegenden Erfindung besteht in bevorzugten Ausführungsformen aus einem in sich homogenen Katalysatormaterial. Das Katalysatormaterial kann in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen ein oder mehrere Katalysatoren enthalten, wie beispielsweise Platin, Kobalt, Gold, Iridium. Die Funktion des Katalysators ist die Ionisierung der einströmenden Gase, also beispielsweise einerseits Wasserstoff und andererseits Sauerstoff.
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Durch die Verwendung einer Katalysatorschicht kann viel Material eingespart werden. Dies hat zum Vorteil, dass die seltenen und teuren Katalysatormaterialen wie Platin extrem sparsam eingesetzt werden können. Auch die Homogenität der Katalysatorschicht ist von großem Vorteil, da somit das Verhältnis von aktiver Fläche zu benutztem Material in Vergleich zu Partikeln, bei denen nur die äußerste Hülle katalytisch aktiv ist, steigt. Es ist eine sparsame Alternative zur Verwendung von Partikeln, da diese nicht unendlich verkleinert werden können ohne die Reaktionsfähigkeit zu verlieren.
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Mit der Einzelelektrodenplatte der Erfindung gelingt es, die Menge an benötigtem Katalysatormaterial zu verringern und auf diese Weise seltene Metalle einzusparen.
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Durch die mikroporöse Struktur der Einzelelektrodenplatte müssen die Reaktionsgase nicht diffundieren, sondern werden durch die im Trägersubstrat ausgebildeten Kanäle hindurch geleitet.
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Weiterhin erzielt die Einzelelektrodenplatte der vorliegenden Erfindung eine große katalytisch aktive Fläche und ermöglicht, in einer Brennstoffzelle das Katalysatormaterial näher an der Protonenaustauschmembran zu positionieren und somit den Wirkungsgrad des Materials zu erhöhen.
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Das Trägersubstrat ist in bevorzugten Ausführungsbeispielen elektrisch leitfähig, was durch geeignete Dotierung des Silizium erreicht werden kann.
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Bevorzugt ist unmittelbar auf dem Trägersubstrat eine Haftschicht angeordnet. Geeignet ist beispielsweise eine Haftschicht aus Titannitrid, Tantalnitrid oder Wolfram, oder eine Kombination dieser Materialien. Die Haftschicht ist bevorzugt abgeschieden, beispielsweise mit einem Gasphasenabscheideverfahren. Die erste Substrathauptfläche oder die erste und zweite Substrathauptfläche kann aufgerauht sein, wodurch die Reaktionsgasverteilung verbessert wird. Die Haftschicht hat beispielsweise eine Dicke von mindestens 50 Nanometer. In manchen Ausführungsformen ist Ihre Dicke höher als 100 Nanometer. In einer Ausführungsform ist Ihre Dicke 200 Nanometer. In einer weiteren Ausführungsform ist ihre Dicke maximal 400 Nanometer.
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Auf der Katalysatorschicht ist eine Graphenschicht angeordnet. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine einatomige Lage Graphen. Der Einsatz von Graphen im Vergleich zu z. B. Kohlenstoff-Nanotubes/Nanoröhren hat den Vorteil der geringen Schichtdicke und eines unmittelbaren Kontakts.
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Die Kanäle im Trägersubstrat haben bevorzugt auf der ersten und zweiten Substrathauptfläche in einer ersten lateralen Richtung Ausmaße von zwischen 10 und 20 Mikrometer und in einer zweiten lateralen Richtung laterale Ausmaße von zwischen 10 und 100 Mikrometer. Unterschiedliche Kanäle können dabei unterschiedliche laterale Ausmaße haben.
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Das Trägersubstrat hat bevorzugt eine Dicke von zwischen 10 und 500 Mikrometern.
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Die Katalysatorschicht hat in vorteilhaften Ausführungsformen eine Schichtdicke von weniger als 50 Nanometer, insbesondere weniger als 40 Nanometer, insbesondere weniger als 35 Nanometer, insbesondere weniger als 30 Nanometer, insbesondere mindestens 10 Nanometer. Sie ist bevorzugt eine abgeschiedene Schicht, die beispielsweise mit Hilfe von physikalischen oder chemischen oder Abscheideverfahren aus der Gasphase (PVD, CVD), auch mit Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt werden kann.
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Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle als Weiterbildung des ersten Aspekts der Erfindung hat dementsprechend insbesondere eine Kathode, eine Anode und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Protonenaustauschmembran, wobei erfindungsgemäß entweder die Kathode oder die Anode oder sowohl die Kathode als auch die Anode eine Einzelelektrodenplatte gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung enthält, oder gemäß einer ihrer in dieser Anmeldung inklusive der Ansprüche beschriebenen Ausführungsformen.
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Einen zweiten Aspekt der Erfindung bildet ein Verfahren zur Herstellung einer Einzelelektrodenplatte, umfassend:
- - Bereitstellen eines einkristallinen Siliziumsubstrats als Trägersubstrat mit einer ersten Substrathauptfläche und einer zur ersten Substrathauptfläche parallelen zweiten Substrathauptfläche;
- - Herstellen von Kanälen im Substrat zur Bildung einer mikroporösen Struktur mittels eines maskierten, anisotropen Trockenätzverfahrens, ausgehend von der ersten Substrathauptfläche;
- - Chemisch-mechanisches Polieren des Trägersubstrats auf seiner zweiten Substrathauptfläche, bis eine reduzierte Dicke des Trägersubstrats erreicht ist, bei der die Kanäle die gesamte Dicke des Trägersubstrats von der ersten bis zur zweiten Substrathauptfläche durchdringen;
- - Abscheiden einer Katalysatorschicht auf der ersten Substrathauptfläche und an Seitenwänden der Kanäle.
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Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet ein maskiertes, anisotropes Trockenätzverfahren, wie zum Beispiel das Through-Silicon-Via Ätzen (TSV) der Kanäle. Mit Hilfe einer Rückseitenbearbeitung des Trägersubstrats, beispielsweise eines Silizium-Wafers durch chemisch-mechanisches Polieren gelingt es, die Kanäle freizulegen.
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Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens nutzen ein Herstellen einer Haftschicht unmittelbar auf dem Trägersubstrat vor dem Abscheiden der Katalysatorschicht. Dem kann ein Aufrauhen von Oberflächen des Trägersubstrats mit einem Ätzverfahren vorausgehen.
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Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Einzelelektrodenplatte mit einem Trägersubstrat und seiner an der Oberfläche sichtbaren Beschichtung in kombinierter Ansicht;
- 2 eine schematische Explosionsansicht einer beschichteten Einzelelektrodenplatte;
- 3 zeigt eine mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops aufgenommene Schrägansicht eines Trägersubstrats mit eingeätzten Kanälen. Durch die Kanäle wird das Reaktionsgas geleitet. Die Unregelmäßigkeit der Struktur wird durch die Bruchkante hervorgerufen
- 4 zeigt eine Erläuterung des Unterschiedes des Verhältnisses von aktiver Fläche zu Gesamtvolumen bei einem Katalysator-Partikel gemäß dem Stand der Technik und bei einer als Dünnschichtfilm ausgebildeten Katalysatorschicht, wie sie in bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
- 5A bis 5H zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Herstellungsverfahrens einer Ausführungsform einer Einzelelektrodenplatte. Dabei stellt 5H eine Detailansicht eines in 5G mit gestrichelten Linien eingezeichneten Bereichs dar.
- 6A und 6B zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Herstellungsverfahrens einer anderen Ausführungsform einer Einzelelektrodenplatte. Das Verfahren unterscheidet sich von dem der 5A bis 5G allein durch einen Schritt des Herstellens einer Graphenschicht auf der Katalysatorschicht. Dabei stellt 6B eine Detailansicht eines in 6A mit gestrichelten Linien eingezeichneten Bereichs dar.
- 7 zeigt eine schematische Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle mit Einzelelektrodenplatten, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 8 zeigt eine Spannungskennlinie (U-Kennlinie) der Leerlaufspannung einer Brennstoffzelle mit von erfindungsgemäßen Einzelelektrodenplatten gebildeter Anode und Kathode, über einen Zeitraum von 90 Minuten.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Einzelelektrodenplatte 100 mit einem Trägersubstrat 105 und seiner an der Oberfläche sichtbaren Beschichtung 110 in kombinierter Ansicht aus Seitenansicht S und Draufsicht D. Das Trägersubstrat 105 besteht aus Silizium und verfügt über eine Vielzahl von Kanälen für die Gaszufuhr. Die Kanäle haben im vorliegenden Ausführungsbeispiel unterschiedliche laterale Ausmaße, was in 1 zum Beispiel an mit den Bezugszeichen 120, 121, 122 gekennzeichneten Kanälen deutlich erkennbar ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wechseln sich hier Kanäle 120 mit einem lateralen Ausmaß von 100 µm in einer ersten lateralen Richtung und Kanäle 121 mit einem lateralen Ausmaß von 10 µm in einer ersten lateralen Richtung ab. Die Kanäle reichen von der beschichteten Oberfläche 110 des Trägersubstrats 105 bis zur gegenüberliegenden Substrathauptfläche. Zwischen den Kanälen befinden sich Siliziumstege 130. Die Schichtdicke des auf der Oberfläche des Trägersubstrats aufgebrachten Materials beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 20 nm. Die Beschichtung reicht in die Kanäle hinein bis zu einer Tiefe von ca. 20 µm. Dies entspricht ca. einem 1/10 der Dicke des Trägersubstrates, welche in diesem Ausführungsbeispiel 200 µm beträgt. Durch die Vielzahl der Kanäle kann das Reaktionsgas ungehindert durch das Trägersubstrat strömen und die katalytisch beschichteten Reaktionszentren auf der Oberfläche des Trägersubstrats erreichen, welche im späteren Einbau der protonenleitenden Membranen zugewandt sind. Durch die Aufbringung des Katalysatormaterials auf der Oberfläche der Einzelelektrodenplatte 100 kann das Katalysatormaterial vom Reaktionsgas ungehindert umströmt werden und die Wegstrecken der durch die Aufspaltung des Reaktionsgases am Katalysatormaterial entstandenen Protonen zur Membran werden minimiert.
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2 zeigt eine schematische Explosionsansicht einer beschichteten Einzelelektrodenplatte 200. Die Einzelelektrodenplatte ist aufgebaut aus einer mikrostrukturierten Trägerelektrode 240, einer Katalysatorschicht 210 sowie einer einatomigen Lage aus Graphen 250. Die im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 zusätzlich aufgebrachte einatomige Lage aus Graphen 250 ermöglicht eine optimierte Gasverteilung sowie einen optimierten elektrischen Kontakt zwischen Katalysatorschicht und protonenleitender Membran in einer betriebsfertigen Brennstoffzelle. Das Reaktionsgas 255 strömt im Betrieb von der von der Katalysatorschicht abgewandten Substrathauptfläche her ein.
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3 zeigt eine mit Hilfe eines Rasterelektrodenmikroskops aufgenommene Schrägansicht eines Trägersubstrats 305 mit eingeätzten Kanälen 320. Es ist zu erkennen, dass die Beschichtung 310 der Trägersubstratoberfläche gleichmäßig und durchgehend hergestellt ist. Durch die gleichmäßige Beschichtung des Trägersubstrats mit dem Katalysatormaterial wird eine Maximierung der aktiven Fläche erreicht. Insbesondere kann durch die dünne Beschichtung mit dem Katalysatormaterial ein deutlich besseres Verhältnis von aktiver Fläche zu eingesetztem Material erreicht werden, wie im Folgenden in Bezug auf 4 näher erläutert wird.
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4 zeigt eine Erläuterung des Unterschiedes der Verhältnisse von Oberfläche zu Gesamtvolumen bei einem Katalysatorpartikel 450 gemäß dem Stand der Technik und bei einer als Dünnschichtfilm ausgebildeten Katalysatorschicht 460, wie sie in bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Da nur die Außenflächen (461,471) des Katalysatormaterials, die mit dem Reaktionsgas in Berührung kommen, aktiv sein können, sind bei der Verwendung von Katalysatoren in Partikelform 460 wie im Stand der Technik relativ große Volumina 462 des Katalysators inaktiv 462. Bei der Verwendung von Dünnschichtfilmen 470 wie in den Ausführungsbeispielen der Erfindung hingegen ist das inaktive Volumen 472 minimiert, indem die Schichtdicke begrenzt ist, so dass fast ausschließlich Katalysatormaterial aufgetragen wird, welches im Betrieb der Brennstoffzelle auch in direktem Kontakt zum Reaktionsgas steht.
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5A bis 5H zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Herstellungsverfahrens einer Ausführungsform einer Einzelelektrodenplatte.
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Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Einzelelektrodenplatte ist mikrostrukturiert und kann mit Hilfe von Ätz- und Beschichtungsverfahren industriell hergestellt werden. Dazu wird, vgl. 5A bis 5H ein 10-500 µm dickes, leitfähiges Trägersubstrat 505 wie zum Beispiel Silizium in einem anisotropen Trockenätzverfahren so bearbeitet und strukturiert, dass Kanäle 520 im Mikrometerbereich entstehen, die in einer Brennstoffzelle als direkte Gaszufuhr dienen. Diese Kanäle 520 werden vorher durch eine fotoreaktive Schicht 581 maskiert (5B) und anschließend durch eine Ätzmethode als TSV (Through Silicon Via) erzeugt (5C) und entweder direkt anschließend (nicht dargestellt) an das Entfernen der Maskierung 581 (5D) oder erst nach darauffolgender Beschichtung mit einer Haftschicht 582 (5E), durch eine Rückseitenpolitur des Trägersubstrats 505 mit chemisch -mechanischem Polieren (5F) freigelegt. Dann wird eine Katalysatorschicht 510 abgeschieden (5G). 5H stellt eine Detailansicht eines in 5G mit gestrichelten Linien eingezeichneten Bereichs dar. Es kann mit verschiedenen Katalysatoren wie z.B. Platin oder Kobalt beschichtet werden. Diese Beschichtung kann über PVD oder CVD-Prozesse (physikalische/chemische Gasphasenabscheidung) realisiert werden und ermöglicht eine Schichtdicke von nur wenigen Nanometern.
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Vor der Beschichtung der Einzelelektrodenplatte kann diese noch bearbeitet werden. Sie kann durch Ätzverfahren rauer gemacht werden (nicht dargestellt) oder es kann poröses Silizium abgeschieden werden (ebenfalls nicht dargestellt), so dass die Gase besser zum Katalysator gelangen. Die Abscheidung einer Haftschicht ist optional. Sie kann aus Titannitrid/Tantalnitrid oder Wolfram abgeschieden werden.
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Diese Fertigungsmethode bringt viele Vorteile mit sich. Durch die mikroporöse Struktur der Elektrode müssen die Reaktionsgase nicht, wie im Stand der Technik, durch Graphit hindurch diffundieren, sondern werden durch die Kanäle hingeleitet.
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Die optionale Aufrauhung der Oberfläche, bzw. das poröse Silizium unterstützen diesen Effekt noch und verbessern die Reaktionsgasverteilung.
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Einen weiteren Vorteil der Einzelelektrodenplatte bringt die Beschichtungsart. Durch die nur wenige Nanometer dicke Katalysatorschicht wird viel Material eingespart. Dies hat zum Vorteil, dass die seltenen und teuren Katalysatormaterialen wie Platin extrem sparsam eingesetzt werden können. Auch die Homogenität der Schicht ist von großem Vorteil, da somit das Verhältnis von aktiver Fläche zu benutztem Material in Vergleich zu Partikeln steigt, bei denen nur die äußerste Hülle katalytisch aktiv ist. Die erfindungsgemäße Einzelelektrodenplatte bildet eine sparsame Alternative zu den Partikeln, da diese nicht unendlich verkleinert werden können, ohne ihre Reaktionsfähigkeit zu verlieren.
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6A und 6B zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Herstellungsverfahrens einer anderen Ausführungsform einer Einzelelektrodenplatte. Das Verfahren unterscheidet sich von dem der 5A bis 5G allein durch einen Schritt des Herstellens einer Graphenschicht auf der Katalysatorschicht. Zum Abschluss kann man optional noch eine einatomige Schichtlage 550 aus Graphen aufbringen (6A und 6B). Der optionale Schritt einer Graphenbeschichtung erhöht die Leitfähigkeit der Elektrode und dient als Verteilungsschicht für die Gase und die entstehenden Protonen. Somit bleibt der Übergang vom Kohlenstoff zu der Membran erhalten, jedoch liegen die Katalysatorpartikel nun nicht mehr tief eingebettet im Kohlenstoff, sondern die Elektrode ist nur noch von einer einatomigen Schicht Graphen überzogen. 6B stellt eine Detailansicht eines in 6A mit gestrichelten Linien eingezeichneten Bereichs dar.
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7 zeigt eine schematische Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 700 mit Einzelelektrodenplatten 701, 702 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Brennstoffzelle 700 besteht aus einer protonenleitenden Membran 780, an welcher an gegenüberliegenden Seiten die Einzelelektrodenplatte der Anode 701 und der Kathode 702 angebracht sind. Die an den Einzelelektroden angebrachten Bipolarplatten 791, 792 dienen der Trennung der Gasräume sowie der Verschaltung mehrerer Brennstoffzellen untereinander. Anodenseitig wird über die Bipolarplatte Wasserstoff zur Einzelelektrodenplatte der Anode 710 geleitet. Der Wasserstoff wandert durch das Trägersubstrat zur Katalysatorschicht und wird dort in Protonen und Elektroden aufgespalten. Die Protonen wandern durch die protonenleitenden Membran 780, welche für Elektroden undurchlässig ist, zur Einzelelektrodenplatte 702 der Kathode. Kathodenseitig wird Sauerstoff durch die Bipolarplatte zur Einzelelektrodenplatte 702 der Kathode geleitet. An der Katalysatorschicht nimmt der Sauerstoff Elektronen auf und reagiert mit den durch die Membran kommenden Protonen zu Wasser unter Bildung von Wärme.
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8 zeigt eine Hochlaufkurve einer Brennstoffzelle mit Einzelelektrodenplatten gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Prototyp einer Einzelelektrodenplatte mit dem Katalysator Platin wurde dazu in einem Demonstrator einer Brennstoffzelle, wie sie in 7 dargestellt ist, getestet. Es ist zu erkennen, dass nach ca. 10 Minuten durch die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle stark ansteigt und im Verlauf von weiteren 45 Minuten ein nahezu stabiler Wert von ca. 0,53 Volt erreicht. Die Leerlaufspannung entspricht ca. 78% der Leerlaufspannung von herkömmlichen Brennstoffzellen mit Graphitelektroden. Die Unterschiede in der Leerlaufspannung in der Brennstoffzelle zwischen dem theoretischen Wert von 1,23 Volt bei der Nutzung von reinem Wasserstoff und reinem Sauerstoff ergeben sich beispielsweise durch die Nutzung von Luft statt reinem Sauerstoff und durch verschiedene Verlustmechanismen insbesondere an den Elektroden und beim Gastransport. Mit den erfindungsgemäßen Einzelelektrodenplatten ist es möglich, im Vergleich zu herkömmlichen Graphitelektroden 90% des verwendeten Katalysators, in diesem Falle Platin einzusparen.
