DE102017204717A1

DE102017204717A1 - PEM-Membran-Elektroden-Einheit, PEM-Zelle und Verfahren zum Herstellen einer PEM-Membran-Elektroden-Einheit

Info

Publication number: DE102017204717A1
Application number: DE102017204717.8A
Authority: DE
Inventors: Jan Hendrik Ohs; Andreas Haeffelin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2017-03-21
Publication date: 2018-09-27
Also published as: WO2018172073A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine PEM-Membran-Elektroden-Einheit (100a, 100k) für eine PEM-Zelle (100), insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur, mit einer Membran (1) zum Leiten von Wasserstoff-Ionen (H+) und mindestens einer porösen Katalysatorschicht (2), die einen Feststoff zum Leiten von Elektronen (e-) und Poren zum Leiten von Reaktionsgasen (H2, 02) aufweist, wobei die Membran (1) eine definierte 3D-Oberfläche (10) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine PEM-Membran-Elektroden-Einheit für eine PEM-Zelle nach dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs, eine PEM-Zelle nach Anspruch 7 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer PEM-Membran-Elektroden-Einheit nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruchs.
Stand der Technik
PEM-Zellen (Polymer-Elektrolyte-Membrane-Zellen) sind in Form von PEM-Brennstoffzellen oder PEM-Elektrolyseuren grundsätzlich bekannt. Bei den PEM-Brennstoffzellen wird i.d.R. Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser, elektrische Energie und Wärme umgewandelt. In PEM-Elektrolyseuren findet mit Hilfe eines elektrischen Stromes die umgekehrte Reaktion statt, bei der Wasser elektrochemisch in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt und getrennt wird. Für die elektrochemische Reaktion sorgt eine PEM-Membran-Elektroden-Einheit, an der die elektrochemische Reaktion ausgeführt wird. Zum Auslösen der elektrochemischen Reaktion ist eine Dreiphasengrenze (engl. Triple Phase Boundary oder TPB genannt) oder mit anderen Worten eine aktive Zone zwischen einer Membran und einer Katalysatorschicht der PEM-Membran-Elektroden-Einheit erforderlich, an der drei Phasen in Berührung kommen. Die drei Phasen sind dabei eine Gasphase, in der die Gase transportiert werden, eine Festkörperphase, in der die Elektronen transportiert werden, und eine Ionomerphase, in der die Ionen von Wasserstoff transportiert werden. Die Gasphase wird durch die Poren innerhalb der Katalysatorschicht, die Festkörperphase durch einen Feststoff der Katalysatorschicht, meistens aus Platin, welches auf einem Substrat aus Kohlenstoffpartikeln aufgetragen ist, und die lonomerphase durch eine elektrolytische Membran, meistens aus lonomer (vorzugsweise Nafion), realisiert. Die Leistung der PEM-Zelle hängt dabei sowohl vom Anteil der aktiven Zone bzw. der TPB-Dichte innerhalb der Katalysatorschicht an der Oberfläche der Membran als auch von den jeweiligen Transportwiderständen und Transportwegen durch die Membran ab.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung sieht eine PEM-Membran-Elektroden-Einheit für eine PEM-Zelle nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch, eine PEM-Zelle nach dem unabhängigen Anspruch 7 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer PEM-Membran-Elektroden-Einheit nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch 8 vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen PEM-Membran-Elektroden-Einheit beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen PEM-Zelle oder dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die Erfindung stellt eine PEM-Membran-Elektroden-Einheit für eine PEM-Zelle, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur, bereit, die mit einer Membran zum Leiten von Wasserstoff-Ionen und mindestens einer porösen Katalysatorschicht ausgeführt ist, die einen Feststoff zum Leiten von Elektronen und Poren zum Leiten von Reaktionsgasen aufweist, , wobei die Membran eine definierte 3D-Oberfläche (3D - dreidimensionale Struktur) aufweist.
Unter der definierten 3D-Oberfläche im Sinne der Erfindung wird eine strukturierte, insbesondere periodisch strukturiere 3D-Oberfläche, vorzugsweise mit regelmäßig verteilten Strukturelementen verstanden, die bspw. mittels eines Nanoprägelithografie-Verfahrens ausgebildet sein kann. Die definierte 3D-Oberfläche im Sinne der Erfindung kann mindestens einen ersten einstellbaren, vorzugsweise geometrischen, Parameter, wie bspw. den Abstand zwischen den einzelnen Strukturelementen, aufweisen, um eine erste Eigenschaft der Membran, wie der Volumenanteil der Membran im Vergleich zu einer unstrukturierten Membran, einzustellen. Zudem kann die definierte 3D-Oberfläche einen zweiten einstellbaren, vorzugsweise geometrischen, Parameter, wie bspw. die Breite der einzelnen Strukturelemente, aufweisen, um eine zweite Eigenschaft der Membran, wie einen Flächeninhalt der definierten 3D-Oberfläche, einzustellen. Weiterhin kann die definierte 3D-Oberfläche einen dritten einstellbaren, vorzugsweise geometrischen, Parameter, wie bspw. die Höhe der einzelnen Strukturelemente, aufweisen, um eine dritte Eigenschaft der Membran, wie mindestens ein Transportpfad, bspw. die Länge und/oder die Richtung und/oder die Tortuosität des Transportfades, für die Wasserstoff-Ionen beim Durchgang der Membran zu bestimmen.
Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass die Grenzfläche zwischen der Membran und der Katalysatorschicht in der PEM-Membran-Elektroden-Einheit mit einer optimierten, gezielt ausgewählten 3D-Oberfläche versehen wird, um den Anteil der aktiven Zone bzw. die Dichte der Dreiphasengrenze (engl. Triple Phase Boundary, TPB) innerhalb der Katalysatorschicht an der Oberfläche der Membran zu erhöhen, die Anbindung der drei Phasen zu begünstigen und die Transportwiderstände der Wasserstoff-Ionen durch die Membran sowie deren Transportwege so kurz wie möglich zu gestalten und dadurch zu optimieren. Zum Herstellen der definierten 3D-Oberfläche kann vorzugsweise ein Nanoprägelithografie-Verfahren (engl. Nanoimprint Lithography, NIL) als kostengünstiges und großtechnisch einsetzbares Herstellungsverfahren genutzt werden.
Die 3D Strukturierung der Membranoberfläche führt vorteilhafterweise dazu, dass beim Aufbringen der Katalysatorschicht nicht nur eine vergrößerte Dreiphasengrenze, sondern auch eine bessere Anbindung der Transportpfade sowie eine Reduktion der Transportwiderstände zwischen den Dreiphasen der PEM-Membran-Elektroden-Einheit, nämlich einer lonomerphase (realisiert durch die Membran), einer Festkörperphase (realisiert durch die Katalysatorschicht in Form von Platin-Partikeln, die auf einem Substrat aus Kohlenstoffpartikeln aufgetragen sind) und einer Gasphase (realisiert durch die Poren in der Katalysatorschicht), bereitgestellt wird. Dies begünstigt die elektrochemische Reaktion und resultiert nicht nur in einer erhöhten Leistungsdichte, sondern auch in einer optimal erhöhten Leistung der PEM-Zelle. Außerdem bringt die Erfindung eine Kosteneinsparung bei der Fertigung der PEM-Zelle mit sich. Die Oberflächenprofilierung der Membran bzw. die definierte 3D-Oberfläche kann in Form von säulenförmigen Kolonnen, Pyramiden oder Lamellen ausgeführt werden. Zudem können gezielt Eigenschaften der Membran, wie der Volumenanteil, Flächeninhalt, Transportpfad, einfach und präzise durch die geometrischen Parameter der definierten 3D-Oberfläche eingestellt werden. Dadurch kann nicht nur die Leistungsdichte, sondern auch die Leistung der PEM-Zelle erheblich erhöht werden. Neben gleichmäßigen Säulen zur Steigerung der TPB-Dichte unter gleichzeitiger Verringerung der Tortuosität können auch Lamellen aufgebracht sein, die strömungsgünstig zum Gasstrom platziert sein können. Die definierte 3D-Oberfläche der Membran stabilisiert zudem die Katalysatorschicht und führt in Verbindung mit einer hohen TPB-Dichte zu einer erhöhten Alterungstoleranz der PEM-Zelle. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen definierten 3D-Oberfläche ist die gleichbleibende Qualität der PEM-Membran-Elektroden-Einheit bei der Herstellung.
Durch die erfindungsgemäße 3D-Oberfläche der Membran kann die Leistung der PEM-Brennstoffzellen und PEM-Elektrolyseuren erheblich erhöht werden. Gezielt eingestellte geometrische Parameter der definierten 3D-Oberfläche können nicht nur die aktive Zone vergrößern bzw. die TPD-Dichte optimieren, sondern die Transportwiderstände auf eine vorteilhafte Weise senken und die Transportpfade der Wasserstoff-Ionen durch die Membran mit einer niedrigen Tortuosität und einem niedrigen Perkolationsverlust bereitstellen.
Ferner kann im Rahmen der Erfindung bei einer PEM-Membran-Elektroden-Einheit vorgesehen sein, dass die definierte 3D-Oberfläche eine erste periodische Struktur aufweisen kann. Die erste periodische Struktur kann bspw. als eine Hauptstruktur an der definierten 3D-Oberfläche ausgebildet sein, die eine Grundeinstellung der gewünschten geometrischen Parameter der definierten 3D-Oberfläche ermöglichen kann, wie der Abstand zwischen den Strukturelementen, die Breite und/oder die Höhe der Strukturelemente.
Weiterhin kann im Rahmen der Erfindung bei einer PEM-Membran-Elektroden-Einheit vorgesehen sein, dass die definierte 3D-Oberfläche an der Membran mittels eines Nanoprägelithografie-, eines Extrusions-, eines Rakel- oder eines Gieß-Verfahrens, vorzugsweise unter einem Temperatureinfluss und/oder einer UV-Bestrahlung der Membran ausgebildet sein kann. Der Vorteil des Nanoprägelithografie-Verfahrens liegt darin, dass dadurch mit wenig Aufwand und mit niedrigen Kosten eine präzise, hoch qualitative Strukturierung der Membranoberfläche im Mikrometer- bzw. Nanometerbereich hergestellt werden kann. Weiterhin ist es von Vorteil, dass mithilfe eines entsprechenden Stempels, der ein Negativabbild der definierten 3D-Oberfläche darstellen kann, auf eine einfache Weise bewehrte, kostengünstige Verfahren zur Kunststoffverarbeitung bei der Herstellung der strukturierten Membran eingesetzt werden können, wie z. B. Extrusions-, Rakel- oder Gieß-Verfahren.
Des Weiteren kann im Rahmen der Erfindung bei einer PEM-Membran-Elektroden-Einheit vorgesehen sein, dass die definierte 3D-Oberfläche mindestens einen ersten einstellbaren, vorzugsweise geometrischen, Parameter aufweisen kann, um eine erste Eigenschaft der Membran, wie der Volumenanteil der Membran bspw. im Vergleich zu einer unstrukturierten Membran, einzustellen. Unter einem ersten einstellbaren Parameter kann bspw. der Abstand zwischen den einzelnen Strukturelementen der definierten 3D-Oberfläche verstanden werden. Je größer der Abstand zwischen den Strukturelementen, desto mehr Bereiche der Membran mit einer niedrigen Materialstärke zwischen den Strukturelementen bereitgestellt werden können, an denen der Transportwiderstand beim Durchgang der Wasserstoff-Ionen durch die Membran reduziert werden kann. Dabei soll gleichzeitig beachtet werden, dass der Abstand zwischen den Strukturelementen nicht zu groß gewählt wird, um den Flächenanteil der 3D-Oberfläche nicht zu sehr zu reduzieren. Zudem soll beim Einstellen des ersten Parameters abgewogen werden, dass zwischen den Strukturelementen ausreichend Platz vorhanden sein soll, um die Katalysator-Partikel, wie z. B. Kohlenstoffpartikel mit einem Platinüberguss, darin anordnen zu können. Somit kann die Anbindung der drei Phasen an der 3D-Oberfläche der Membran, nämlich der Gasphase in Form der Poren innerhalb der Katalysatorschicht, der Festkörperphase in Form vom Feststoff der Katalysatorschicht mit Platin-Partikeln auf einem Substrat aus Kohlenstoffpartikeln und der lonenphase in Form der Membran, deutlich verbessert werden.
Außerdem kann im Rahmen der Erfindung bei einer PEM-Membran-Elektroden-Einheit vorgesehen sein, dass die definierte 3D-Oberfläche mindestens einen zweiten einstellbaren, vorzugsweise geometrischen, Parameter aufweisen kann, um eine zweite Eigenschaft der Membran, wie der Flächeninhalt der 3D-Oberfläche, einzustellen. Unter einem zweiten einstellbaren Parameter kann die Breite bzw. der Durchmesser der Strukturelemente der definierten 3D-Oberfläche verstanden werden. Je größer die Breite der Strukturelemente ist, desto höher ist der Flächeninhalt der 3D-Oberfläche und desto mehr Wasserstoff-Ionen können durch die Strukturelemente aufgenommen werden. Dabei soll gleichzeitig abgewogen werden, dass der Abstand zwischen den Strukturelementen nicht zu klein wird, damit zwischen den Strukturelementen ausreichend Platz für die Katalysator-Partikel verbleibt. Somit kann die Anbindung der drei Phasen an der 3D-Oberfläche noch weiter verbessert werden.
Zudem kann im Rahmen der Erfindung bei einer PEM-Membran-Elektroden-Einheit vorgesehen sein, dass die definierte 3D-Oberfläche mindestens einen dritten Parameter aufweisen kann, um einen Transportpfad der Wasserstoff-Ionen durch die Membran zu bestimmen. Dabei ist es denkbar, dass der dritte Parameter als die Höhe und/oder die Form der Strukturelemente bestimmt werden kann. Dadurch kann der Transportweg der Wasserstoff-Ionen durch die Membran gestaltet werden und somit die Tortuosität gesenkt und/oder die Perkolation der Wasserstoff-Ionen durch die Membran sichergestellt werden. Folglich kann dadurch der Transportwiderstand beim Durchgang der Wasserstoff-Ionen durch die Membran gesenkt werden.
Ferner kann im Rahmen der Erfindung bei einer PEM-Membran-Elektroden-Einheit vorgesehen sein, dass die erste periodische Struktur eine Vielzahl an ersten Strukturelementen aufweisen kann, die bspw. in Form von Säulen, Streifen oder Lamellen ausgebildet sein können, wobei insbesondere die ersten Strukturelemente in Form von runden, eckigen, pyramidalen, kegel- oder kegelstumpfförmigen Säulen ausgebildet sein können. Somit kann eine einfache Herstellung der ersten Struktur und gleichzeitig eine vorteilhafte Erhöhung des Flächenanteils der Membran sichergestellt werden.
Des Weiteren kann im Rahmen der Erfindung bei einer PEM-Membran-Elektroden-Einheit vorgesehen sein, dass die definierte 3D-Oberfläche eine zweite periodische Struktur aufweisen kann, wobei insbesondere die zweite periodische Struktur der ersten Struktur größenmäßig untergeordnet oder nebengeordnet sein kann. Somit kann ein hierarchisches Strukturieren der Membran sichergestellt und ein Satz über- und untergeordneter oder nebengeordneter Grundeinstellungen für die geometrischen Parameter der 3D-Oberfläche ermöglicht werden, die gleichzeitig oder unter unterschiedlichen Bedingungen, bspw. unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen oder Anforderungen an die PEM-Zelle, von Vorteil sein können.
Zudem ist es bei einer PEM-Membran-Elektroden-Einheit denkbar, dass die zweite periodische Struktur eine Vielzahl an zweiten Strukturelementen aufweisen kann, die bspw. in Form von Säulen, Streifen oder Lamellen ausgebildet sein können, wobei insbesondere die zweiten Strukturelemente in Form von runden, eckigen, pyramidalen, kegel- oder kegelstumpfförmigen Säulen ausgebildet sein können. Auch dadurch kann eine einfache Herstellung der zweiten Struktur und gleichzeitig eine vorteilhafte Erhöhung des Flächenanteils der Membran sichergestellt werden.
Die ersten und/oder die zweiten Strukturelemente können gleichmäßig über die Oberfläche der Membran verteilt werden. Somit kann einerseits die Herstellung der 3D-Oberfläche vereinfacht und andererseits die Anbindung der drei Phasen der PEM-Membran-Elektroden-Einheit verbessert werden. Der Vorteil von runden Säulen als erste und/oder zweite Strukturelemente kann darin liegen, dass somit der vergrößerte Flächenanteil bei einem reduzierten Volumenanteil der Membran bereitgestellt werden kann. Der vergrößerte Flächenanteil kann dabei zu Erhöhung der Leistungsdichte der PEM-Zelle und der reduzierte Volumenanteil zu Reduktion des Transportwiderstandes beim Durchgang der Wasserstoff-Ionen durch die Membran und somit zu Erhöhung der Leistung der PEM-Zelle dienen. Eckige Säulen können einfach hergestellt werden. Pyramidale Säulen können die Anbindung der Membran an die Katalysatorschicht verbessern.
Kegelstumpfförmige Säulen können insbesondere auf einer Kathodenseite dafür sorgen, dass mehr Katalysatorpartikel an die 3D-Oberfläche angebunden sein können, wobei außerdem die meisten Wasserstoff-Ionen im Bodenbereich der Säulen begünstigt durch ihre kegelstumpfförmige Form austreten können.
Weiterhin kann im Rahmen der Erfindung bei einer PEM-Membran-Elektroden-Einheit vorgesehen sein, dass die ersten Strukturelemente oder die zweiten Strukturelemente (je nachdem, welche Elemente die kleinste Einheit ist) eine Breite von 0,05 µm bis 5 µm, insbesondere 0,1 µm bis 1 µm, vorzugsweise 0,5 µm aufweisen können. Zudem ist es denkbar, dass die ersten Strukturelemente oder die zweiten Strukturelemente (je nachdem, welche Elemente die kleinste Einheit ist) eine Höhe von 0,5 µm bis 10 µm, insbesondere 2 µm bis 7 µm, vorzugsweise 5 µm aufweisen können. Außerdem ist es denkbar, dass die ersten Strukturelemente oder die zweiten Strukturelemente (je nachdem, welche Elemente die kleinste Einheit ist) in einem Abstand von 0,1 µm bis 10 µm, insbesondere 0,5 µm bis 5 µm, vorzugsweise 1 µm zueinander angeordnet sein können. Somit kann ein verbessertes Verhältnis zwischen einer vergrößerten 3D-Oberfläche der Membran, einem niedrigen Transportwiderstand durch die Membran und einer verbesserten Abbindung zwischen den drei Phasen sichergestellt werden.
Ferner stellt die Erfindung eine PEM-Zelle, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur, bereit, die mit mindestens einer PEM-Membran-Elektroden-Einheit, die oben beschrieben wurde, auf einer Anodenseite oder auf einer Kathodenseite oder auf beiden Seiten der PEM-Zelle ausgeführt ist. Mithilfe der PEM-Zelle werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben in Bezug auf die erfindungsgemäße PEM-Membran-Elektroden-Einheit beschrieben wurden. Dabei wird vollumfänglich darauf Bezug genommen.
Des Weiteren stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer PEM-Membran-Elektroden-Einheit für eine PEM-Zelle, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur, bereit, die mit einer Membran zum Leiten von Wasserstoff-Ionen und mindestens einer porösen Katalysatorschicht ausgeführt ist, die einen Feststoff zum Leiten von Elektronen und Poren zum Leiten von Reaktionsgasen aufweist, wobei auf der Membran eine definierte 3D-Oberfläche ausgebildet, bspw. aufgebaut oder abgetragen, wird. Auch hierbei werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben in Bezug auf die erfindungsgemäße PEM-Membran-Elektroden-Einheit beschrieben wurden, wobei vorliegend vollumfänglich darauf Bezug genommen wird.
Weiterhin kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen der Membran ein Stempel verwendet werden, welcher mittels einer Laserstrukturierung, eines Nanoprägelithografie- oder eines Ätz-Verfahrens hergestellt wird. Mithilfe des Stempels, bspw. in Form einer Walze oder einer flächigen Schablone, kann auf eine einfache Weise eine hochaufgelöste 3D-Oberfläche im Mikrometer- oder Nanometerbereich hergestellt werden. Der Stempel kann vorteilhafterweise eine Oberflächenbeschichtung aufweisen, die gegen die Adhäsion zwischen dem Stempel und dem Material der Membran dienen kann. Der Stempel kann bei Bedingungen benutzt werden, unter denen das in Form zu bringende Material der Membran niederviskos bzw. leichtverformbar vorliegt. Hierzu kann das Material der Membran bestrahlt oder erwärmt werden. Zudem kann der Stempel selbst erwärmt werden.
In einem weiteren Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann die definierte 3D-Oberfläche an der Membran mittels eines Nanoprägelithografie-, eines Extrusions-, eines Rakel- oder eines Gieß-Verfahrens, vorzugsweise unter einem Temperatureinfluss und/oder einer UV-Bestrahlung der Membran, ausgebildet werden. Ein Nanoprägelithografie-Verfahren kann mit wenig Aufwand und mit niedrigen Kosten ausgeführt werden und gleichzeitig eine präzise, hoch qualitative Strukturierung der Membranoberfläche im Mikrometer- bzw. Nanometerbereich bereitstellen. Weiterhin ist es von Vorteil, dass mithilfe eines entsprechenden Stempels, der ein Negativabbild der definierten 3D-Oberfläche darstellen kann, auf eine einfache Weise bewährte Verfahren zur Kunststoffverarbeitung eingesetzt werden können, wie z. B. Extrusions-, Rakel- oder Gieß-Verfahren.
In einem weiteren Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann auf die 3D-Oberfläche der Membran die Katalysatorschicht mittels eines Nass- oder Trocken-Herstellungsverfahrens aufgetragen werden. Dabei kann die definierte 3D-Oberfläche der Membran dazu beitragen, dass eine verbesserte Anbindung zwischen der Membran und der Katalysatorschicht und somit eine TPB-Grenze mit einer hohen TPB-Dichte hergestellt wird.
Zudem kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass mindestens ein erster Parameter der definierten 3D-Oberfläche eingestellt wird, um einen Volumenanteil der Membran einzustellen, ein zweiter Parameter, um einen Flächeninhalt der 3D-Oberfläche einzustellen, oder ein dritter Parameter, um mindestens einen Transportpfad der Wasserstoff-Ionen durch die Membran zu bestimmen. Somit kann die Leistung der PEM-Zelle verbessert werden. Dabei werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben in Verbindung mit der erfindungsgemäßen PEM-Membran-Elektroden-Einheit beschrieben wurden.
Außerdem kann im Sinne der Erfindung bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass mindestens eine PEM-Membran-Elektroden-Einheit auf der Anodenseite und eine PEM-Membran-Elektroden-Einheit auf der Kathodenseite der PEM-Zelle ausgebildet werden kann, wobei eine PEM-Membran-Elektroden-Einheit auf der Anodenseite und eine PEM-Membran-Elektroden-Einheit auf der Kathodenseite der PEM-Zelle stoffschlüssig miteinander verbunden werden können. Somit kann eine verbesserte definierte 3D-Oberfläche an beiden Seiten der PEM-Zelle, nämlich auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite, bereitgestellt werden. Dadurch kann die elektrochemische Reaktion sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite der PEM-Zelle begünstigt werden.
Figurenliste
Die erfindungsgemäße PEM-Membran-Elektroden-Einheit und die erfindungsgemäße PEM-Zelle und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile und das erfindungsgemäße Verfahren und seine Weiterbildungen sowie seine Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

1 eine PEM-Zelle,
2a eine erfindungsgemäße PEM-Membran-Elektroden-Einheit für eine Anodenseite einer PEM-Zelle,
2b eine erfindungsgemäße PEM-Membran-Elektroden-Einheit für eine Kathodenseite einer PEM-Zelle,
3a ein Ausführungsbeispiel einer definierten 3D-Oberfläche einer Membran,
3b ein weiteres Ausführungsbeispiel einer definierten 3D-Oberfläche einer Membran,
3c ein weiteres Ausführungsbeispiel einer definierten 3D-Oberfläche einer Membran,
3d ein weiteres Ausführungsbeispiel einer definierten 3D-Oberfläche einer Membran,
4a ein weiteres Ausführungsbeispiel einer definierten 3D-Oberfläche einer Membran,
4b ein weiteres Ausführungsbeispiel einer definierten 3D-Oberfläche einer Membran,
5 ein Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Stempels, und
6 ein weiterer Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer 3D-Oberfläche an einer Membran in einer PEM-Zelle.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der PEM-Zelle 100 und der PEM-Membran-Elektroden-Einheit 100a, 100b stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
Links in 1 ist ein schematischer Aufbau einer PEM-Zelle 100 mit jeweils einer PEM-Membran-Elektroden-Einheit 100a, 100b auf einer Anodenseite A und einer Kathodenseiten K der PEM-Zelle 100 gezeigt. In der Mitte der 1 ist eine vergrößerte Darstellung der PEM-Zelle 100 gezeigt. Die PEM-Zelle 100 weist eine Membran 1 zum Leiten von Wasserstoff-Ionen H⁺ auf, an die von der Anodenseite A und der Kathodenseiten K der PEM-Zelle 100 jeweils eine Katalysatorschicht 2 angrenzt. Die Katalysatorschicht 2 kann bspw. Platinpartikel 2 aufweisen, die auf einem Substrat aus Kohlenstoffpartikeln C aufgetragen sind. Die Platinpartikeln 2 wirken als Katalysator für die elektrochemische Reaktion an der Oberfläche der Membran 1, infolge von welcher Wasserstoff H2 und Sauerstoff 02 in Wasser H2O, elektrische Energie und Wärme umgewandelt werden. Zwischen den Kohlenstoffpartikeln C gelangt Wasserstoff H2 auf der Anodenseite A und Sauerstoff 02 auf der Kathodenseite K zur Membran 1. Die Elektronen e- werden über die Kohlenstoffpartikel C abgeführt. Rechts in 1 sind in einer größeren Ansicht die Bereiche der PEM-Membran-Elektroden-Einheit 100a, 100b zwischen der Membran 1 und der Katalysatorschicht 2 gezeigt, die eine Dreiphasengrenze (engl. Triple Phase Boundary, TPB) oder mit anderen Worten eine aktive Zone innerhalb der Katalysatorschicht 2 an der Oberfläche der Membran 10 bilden.
Die 1 zeigt die PEM-Zelle 100 lediglich beispielhaft als eine PEM-Brennstoffzelle, wobei es ebenfalls denkbar wäre, die PEM-Zelle 100 als einen PEM-Elektrolyseur auszuführen, in dem eine umgekehrte elektrochemische Reaktion ausgeführt werden kann, bei der Wasser H2O unter Stromzuführung in Wasserstoff H2 und Sauerstoff 02 zersetzt wird.
An der Oberfläche der Membran 10 kommen drei Phasen (ionisch leitende Phase oder lonenphase I, elektronisch leitende Phase oder Festkörperphase II, Gasphase III) in Kontakt miteinander. Eine Dreiphasengrenze TPB ist aber nur dann elektrochemisch aktiv, wenn sie perkolierend mit allen Phasen I, II, III verbunden und mit Katalysatormaterial wie den Platinpartikeln 2 belegt ist. Kommt es zum Perkolationsverlust in nur einer der Phasen I, II, III, so ist dieser Bereich der PEM-Membran-Elektroden-Einheit 100a, 100b inaktiv. Die elektrolytische Membran 1 hat die Funktion, einen ionischen Transportpfad zwischen der PEM-Membran-Elektroden-Einheit 100a auf der Anodenseite A der PEM-Zelle 100 und der PEM-Membran-Elektroden-Einheit 100b auf der Kathodenseite B der PEM-Zelle 100 sicherzustellen. Der Spannungsabfall nimmt durch den Transport der Wasserstoff-Ionen H+ durch die Membran 1 mit der wachsenden Materialstärke der Membran 1 zu, hervorgerufen durch den Leitungswiderstand der ionischen Phase I. Der Leitungswiderstand der ionischen Transportpfade durch die Membran 1 wird außerdem durch deren Tortuosität sowie durch den Leitungsquerschnitt beeinflusst.
Die 2a und 2b zeigen eine erfindungsgemäße PEM-Membran-Elektroden-Einheit 100a, 100b für eine PEM-Zelle 100, die als eine PEM-Brennstoffzelle oder ein Elektrolyseur ausgebildet sein kann, die mit einer Membran 1 zum Leiten von Wasserstoff-Ionen H+ (eine sog. ionische Phase I) und einer Katalysatorschicht 2, deren Feststoff zum Leiten von Elektronen e-dient, (Teil einer sog. Festkörperphase II) ausgeführt ist, wobei die Membran 1 eine definierte 3D-Oberfläche 10 aufweist. Eine sog. Gasphase III wird durch Poren in der Katalysatorschicht 2 gebildet.
Wie aus den 2a und 2b zu erkennen ist, ist die definierte 3D-Oberfläche 10 als eine strukturierte, insbesondere periodisch strukturierte 3D-Oberfläche 10, vorzugsweise mit einer ersten periodischen Struktur 11 mit regelmäßig verteilten ersten Strukturelementen 11a, ausgebildet. Die definierte 3D-Oberfläche 10 kann bspw. mittels eines Nanoprägelithografie-Verfahrens ausgebildet sein, wie es im Nachfolgenden anhand der 6 gezeigt wird. Durch die definierte 3D-Oberfläche, d. h. durch die Ausbildung und Ausformung der Strukturelemente 11a können gezielte Eigenschaften der Membran 1, wie der Volumenanteil, Flächeninhalt und mindestens ein Transportpfad, einfach und präzise eingestellt werden.
Die definierte 3D-Oberfläche 10 weist einen ersten einstellbaren, vorzugsweise geometrischen, Parameter D, wie der Abstand d zwischen den einzelnen Strukturelementen 11a, auf, um eine erste Eigenschaft der Membran 1, wie der Volumenanteil der Membran 1 bspw. im Vergleich zu einer unstrukturierten Membran 1 aus der 1, einzustellen. Zudem weist die definierte 3D-Oberfläche 10 einen zweiten einstellbaren, vorzugsweise geometrischen, Parameter B, wie die Breite b der einzelnen Strukturelemente 11a, auf, um eine zweite Eigenschaft der Membran 1, wie der Flächeninhalt der definierten 3D-Oberfläche 10, einzustellen. Weiterhin weist die definierte 3D-Oberfläche 10 einen dritten einstellbaren, vorzugsweise geometrischen, Parameter H, wie bspw. die Höhe h der einzelnen Strukturelemente 11a, auf, um eine dritte Eigenschaft der Membran 1, wie mindestens ein Transportpfad, bspw. die Länge und/oder die Richtung und/oder die Tortuosität des Transportfades, für die Wasserstoff-Ionen H+ durch die Membran 1 zu bestimmen.
Die erfindungsgemäße Membran 1 bekommt somit eine Oberflächenstrukturierung in Form der definierten 3D-Oberfläche 10, die nicht nur Oberfläche der Membran 1 vergrößert, sondern auch die Anbindung der Katalysatorschicht 2 begünstigt und außerdem die Transportwiderstände der Wasserstoff-Ionen H+ durch die Membran 1 reduziert und deren Transportwege optimiert.
Erfindungsgemäß wird durch die definierte 3D-Oberfläche 10 die Grenzfläche zwischen der Membran 1 und der Katalysatorschicht 2 in der PEM-Membran-Elektroden-Einheit 100a, 100b mit einem hohen Anteil der aktiven Zone bzw. mit einer hohe Dichte der Dreiphasengrenze TPB an der Oberfläche der Membran 1 bereitgestellt. Dadurch kann die Leistungsdichte der PEM-Zelle 100 vorteilhafterweise erhöht werden. Durch die gezielte bzw. definierte 3D-Oberfläche 10 kann außerdem die Leistung der PEM-Zelle 100 auf eine vorteilhafte Weise erhöht werden.
Die definierte 3D-Oberfläche 10 der Membran 1 stabilisiert zudem die Katalysatorschicht 2 und führt in Verbindung mit einer hohen TPB-Dichte zu einer erhöhten Alterungstoleranz der PEM-Zelle 100. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen definierten 3D-Oberfläche 10 ist die gleichbleibende Qualität der PEM-Membran-Elektroden-Einheit 100a, 100b bei der Herstellung, die zu einer verbesserten PEM-Zelle 100 führt.
Die 3D-Oberfläche 10 führt vorteilhafterweise dazu, dass beim Aufbringen der Katalysatorschicht 2 auf die Membran 1 eine vergrößerte Dreiphasengrenze DPB und eine bessere Anbindung der Transportpfade sowie eine Reduktion der Transportwiderstände zwischen den Dreiphasen I, II, III der PEM-Membran-Elektroden-Einheit 100a, 100b, nämlich der lonenphase I (realisiert durch die Membran 1), der Festkörperphase II (realisiert durch den Feststoff der Katalysatorschicht 2 in Form von Platin-Partikeln, die auf einem Substrat aus Kohlenstoffpartikeln C aufgetragen sind) und der Gasphase III (realisiert durch die Poren innerhalb der Katalysatorschicht), bereitgestellt wird. Dies begünstigt die elektrochemische Reaktion und resultiert in einer erhöhten Leistungsdichte und einer erhöhten Leistung der PEM-Zelle 100.
Die 3D-Oberfläche 10 der Membran 1 kann dabei in Form von säulenförmigen Kolonnen, Pyramiden oder Lamellen ausgeführt werden. Die Kolonnen 11a in Figur 2a und die kegelstumpfförmige Säulen 11a in 2b sind lediglich beispielhaft als jeweils eine mögliche Ausführungsform der Strukturelemente 11a gezeigt. Die 2a zeigt beispielhaft die Anodenseite A der PEM-Zelle 100 und 2b zeigt die Kathodenseite K der PEM-Zelle 100. Die kegelstumpfförmigen Säulen 11a auf der Kathodenseite K der PEM-Zelle 100 in 2b haben den Vorteil, dass an der Kathodenseite K der PEM-Zelle 100 mehr Kohlenstoffpartikel C platziert werden können, um die elektrochemische Reaktion zu verstärken.
Die 3a bis 3c zeigen unterschiedliche mögliche Ausführungsbeispiele der ersten Strukturelemente 11a der ersten periodischen Struktur 11 in Form von Streifen der Figur 3a, Kolonnen der Figur 3b und Pyramiden der 3c. Die Streifen können einfach hergestellt werden. Die Kolonnen können das Verhältnis zwischen einer vergrößerten Oberfläche der Membran 1 und einem reduzierten Volumenanteil der Membran 1 optimieren. Pyramiden können die Anbindung der Membran 1 an die Katalysatorschicht 2 verbessern.
Die 3d zeigt ein Ausführungsbeispiel der 3D-Oberfläche 10 mit einer ersten periodischen Struktur 11 und einer zweiten größenmäßig nebengeordneten Struktur 12. Dabei sind die ersten Strukturelemente 11a der ersten periodischen Struktur 11 der Reihe nach und von Spalte zu Spalte abwechselnd mit zweiten Strukturelementen 12a der zweiten nebengeordneten Struktur 12 angeordnet. Die ersten Strukturelemente 11a können dabei bspw. als Pyramiden und die zweiten Strukturelemente 12a als Kegel ausgebildet sein.
Die 4a und 4b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der 3D-Oberfläche 10 mit einer ersten periodischen Struktur 11 und einer zweiten größenmäßig untergeordneten Struktur 12. Dabei sind die zweiten Strukturelemente 12a innerhalb der ersten größenmäßig übergeordneten Strukturelemente 11a angeordnet. Die ersten Strukturelemente 11a können dabei bspw. als scheibenförmige Erhebungen und die zweiten Strukturelemente 12a als Pyramiden ausgebildet sein.
Der Vorteil der ersten periodischen Struktur 11 und der zweiten periodischen Struktur 12 kann darin liegen, Bereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften an der Oberfläche der Membran 1 bereitzustellen, die gleichzeitig oder unter unterschiedlichen Bedingungen, bspw. unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen oder Anforderungen an die PEM-Zelle 100, von Vorteil sein können.
Dabei ist es denkbar, dass die kleinste Einheit zwischen den ersten Strukturelementen 11a oder den zweiten Strukturelementen 12a eine Breite b von 5 µm bis 75 µm, insbesondere 15 µm bis 50 µm, vorzugsweise 25 µm aufweisen kann. Zudem ist es denkbar, dass die kleinste Einheit zwischen den ersten Strukturelementen 11a oder den zweiten Strukturelementen 12a eine Höhe h von 15 µm bis 225 µm, insbesondere 45 µm bis 150 µm, vorzugsweise 75 µm aufweisen kann. Außerdem ist es denkbar, dass die kleinsten Einheiten zwischen den ersten Strukturelementen 11a oder den zweiten Strukturelementen 12a in einem Abstand d von 100 µm bis 1000 µm, insbesondere 300 µm bis 700 µm, vorzugsweise 500 µm zueinander angeordnet sein können. Somit kann ein verbessertes Verhältnis zwischen einer vergrößerten 3D-Oberfläche 10 der Membran 1 einerseits, einem niedrigen Transportwiderstand beim Transport der Wasserstoff-Ionen H+ durch die Membran 1 andererseits und einer verbesserten Abbindung zwischen den drei Phasen I, II, III im Allgemeinen sichergestellt werden.
Die erfindungsgemäße PEM-Zelle 100 kann mit mindestens einer PEM-Membran-Elektroden-Einheit 100a, 100b auf der Anodenseite A oder auf der Kathodenseite K der PEM-Zelle 100 bereitgestellt werden. Somit kann die elektrochemische Reaktion auf mindestens einer Seite A, B der Membran 1 begünstigt werden.
Ferner ist es denkbar, dass eine PEM-Membran-Elektroden-Einheit 100a auf der Anodenseite A und eine Membran-Elektroden-Einheit 100b auf der Kathodenseite B der PEM-Zelle bereitgestellt werden können. Somit kann die elektrochemische Reaktion auf beiden Seiten A, B der Membran 1 begünstigt werden. In diesem Falle können die Membran-Elektroden-Einheiten 100a, 100b stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Die 5 und 6 zeigen schematisch ein mögliches erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer PEM-Membran-Elektroden-Einheit 100a, 100b für eine PEM-Zelle 100, bspw. eine PEM-Brennstoffzelle oder einen PEM-Elektrolyseur, die oben anhand der 2a bis 4b gezeigt wurden.
Wie die 6 verdeutlicht, kann zum Herstellen der Membran 1 mittels eines Nanoprägelithografie-Verfahrens ein Stempel 20, bspw. in Form einer Walze, verwendet werden. Der Stempel 20 kann bei Bedingungen benutzt werden, unter denen das in Form zu bringende Material der Membran 1 niederviskos bzw. leichtverformbar vorliegt. Hierzu kann das Material der Membran 1 mit UV-Licht bestrahlt oder erwärmt werden. Zudem kann der Stempel 20 selbst erwärmt werden. Alternativ zu einer Walze kann ein flächiger Stempel 20 verwendet werden. Der flächige Stempel 20 kann auf die Oberfläche der zu strukturierenden Membran 1 aufgelegt werden und zusammen mit der Membran 1 unter Druck durch ein Walzenpaar geführt werden, um eine entsprechende definierte 3D-Oberfläche 10 an der Membran 1 auszubilden.
Wie die 5 zeigt, kann der Stempel 20 selbst ebenfalls mittels eines Nanoprägelithografie-Verfahrens hergestellt werden. Hierzu kann ein weiterer Stempel 30 verwendet werden. Der weitere Stempel 30 kann in eine Oberfläche des Stempels 20 ein Negativabbild 21 einer gewünschten 3D-Oberfläche 10 einbringen. Alternativ ist es denkbar, dass der Stempel 20 mittels eines Ätzverfahrens hergestellt werden kann. Ferner kann der Stempel 20 mit einer Oberflächenbeschichtung versehen werden, die gegen die Adhäsion zwischen dem Stempel 20 und dem Material der Membran 1 dienen kann.
Zudem ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass mit einem fertigen Stempel 20 die strukturiere Membran 1 einfach durch ein Extrusions-, ein Rakel- oder ein Gieß-Verfahren ausgebildet werden kann. Danach muss nur noch der Stempel 20 entfernt werden, um die strukturierte Membran 1 zu erhalten.
Anschließend kann auf die 3D-Oberfläche 10 der Membran 1 die Katalysatorschicht 2 mittels eines geeigneten Nass- oder Trocken-Herstellungsverfahrens aufgetragen werden.
Die voranstehende Beschreibung der 1 bis 6 beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

PEM-Membran-Elektroden-Einheit (100a, 100k) für eine PEM-Zelle (100), insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur, mit einer Membran (1) zum Leiten von Wasserstoff-Ionen (H⁺), und mindestens einer porösen Katalysatorschicht (2), die einen Feststoff zum Leiten von Elektronen (e-) und Poren zum Leiten von Reaktionsgasen (H2, 02) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1) eine definierte 3D-Oberfläche (10) aufweist.
PEM-Membran-Elektroden-Einheit (100a, 100k) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte 3D-Oberfläche (10) eine erste periodische Struktur (11) aufweist, wobei insbesondere die definierte 3D-Oberfläche (10) an der Membran (1) mittels eines Nanoprägelithografie-, eines Extrusions-, eines Rakel- oder eines Gieß-Verfahrens, vorzugsweise unter einem Temperatureinfluss und/oder einer UV-Bestrahlung der Membran (1), ausgebildet ist, wobei bevorzugt die definierte 3D-Oberfläche mindestens einen ersten einstellbaren Parameter (D), um einen Volumenanteil der Membran (1) einzustellen, einen zweiten einstellbaren Parameter (B), um einen Flächeninhalt der 3D-Oberfläche (10) einzustellen, oder einen dritten Parameter (H) aufweist, um mindestens einen Transportpfad der Wasserstoff-Ionen (H⁺) durch die Membran (1) zu bestimmen.
PEM-Membran-Elektroden-Einheit (100a, 100k) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste periodische Struktur (11) eine Vielzahl an ersten Strukturelementen (11a) aufweist, die bspw. in Form von Säulen, Streifen oder Lamellen ausgebildet sind, wobei insbesondere die ersten Strukturelemente (11a) in Form von runden, eckigen, pyramidalen, kegel- oder kegelstumpfförmigen Säulen ausgebildet sind.
PEM-Membran-Elektroden-Einheit (100a, 100k) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte 3D-Oberfläche eine zweite periodische Struktur (12) aufweist, wobei insbesondere die zweite periodische Struktur (12) der ersten Struktur (11) größenmäßig untergeordnet oder nebengeordnet ist.
PEM-Membran-Elektroden-Einheit (100a, 100k) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite periodische Struktur (12) eine Vielzahl an zweiten Strukturelementen (12a) aufweist, die bspw. in Form von Säulen, Streifen oder Lamellen ausgebildet sind, wobei bevorzugt die zweiten Strukturelemente (12a) in Form von runden, eckigen, pyramidalen, kegel- oder kegelstumpfförmigen Säulen ausgebildet sind.
PEM-Membran-Elektroden-Einheit (100a, 100k) nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Strukturelemente (11a) oder die zweiten Strukturelemente (12a) eine Breite (b) von 0,5 µm bis 5 µm, insbesondere 0,1 µm bis 1 µm, vorzugsweise 0,5 µm aufweisen, wobei insbesondere die ersten Strukturelemente (11a) oder die zweiten Strukturelemente (12a) eine Höhe (h) von 0,5 µm bis 10 µm, insbesondere 2 µm bis 7 µm, vorzugsweise 5 µm aufweisen, wobei bevorzugt die ersten Strukturelemente (11a) oder die zweiten Strukturelemente (12a) in einem Abstand (d) von 0,1 µm bis 10 µm, insbesondere 0,5 µm bis 5 µm, vorzugsweise 1 µm zueinander angeordnet sind.
PEM-Zelle (100), insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur, mit mindestens einer PEM-Membran-Elektroden-Einheit (100a, 100k) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zumindest auf einer Anodenseite (A) oder auf einer Kathodenseite (K) der PEM-Zelle (100).
Verfahren zum Herstellen einer PEM-Membran-Elektroden-Einheit (100a, 100k) für eine PEM-Zelle (100), insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur, mit einer Membran (1) zum Leiten von Wasserstoff-Ionen (H⁺), und mindestens einer porösen Katalysatorschicht (2), die einen Feststoff zum Leiten von Elektronen (e^-) und Poren zum Leiten von Reaktionsgasen (H2, 02) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Membran (1) eine definierte 3D-Oberfläche (10) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen der Membran (1) ein Stempel (20) verwendet wird, welcher mittels einer Laserstrukturierung, eines Nanoprägelithografie- oder eines Ätz-Verfahrens hergestellt wird, wobei insbesondere die definierte 3D-Oberfläche (10) der Membran (1) mittels eines Nanoprägelithografie-, eines Extrusions-, eines Rakel- oder eines Gieß-Verfahrens, vorzugsweise unter einem Temperatureinfluss und/oder einer UV-Bestrahlung der Membran (1), ausgebildet wird, wobei bevorzugt auf die 3D-Oberfläche (10) der Membran (1) die Katalysatorschicht (2) mittels eines Nass- oder Trocken-Herstellungsverfahrens aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erster Parameter (D) der definierten 3D-Oberfläche (10) eingestellt wird, um einen Volumenanteil der Membran (1) einzustellen, ein zweiter Parameter (B), um einen Flächeninhalt der 3D-Oberfläche (10) einzustellen, oder ein dritter Parameter (H), um mindestens einen Transportpfad der Wasserstoff-Ionen (H⁺) durch die Membran (1) zu bestimmen, wobei insbesondere mindestens eine PEM-Membran-Elektroden-Einheit (100a, 100k) auf der Anodenseite (A) und eine PEM-Membran-Elektroden-Einheit (100a, 100k) auf der Kathodenseite (K) der PEM-Zelle (100) ausgebildet wird, und wobei eine PEM-Membran-Elektroden-Einheit (100a, 100k) auf der Anodenseite (A) und eine PEM-Membran-Elektroden-Einheit (100a, 100k) auf der Kathodenseite (K) der PEM-Zelle (100) stoffschlüssig miteinander verbunden werden.