DE102022213722A1 - Process for producing an electrochemical cell - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer Brennstoffzelle oder einer Elektrolysezelle, aufweisend eine zwischen zwei Gasdiffusionslagen (1, 2) angeordnete Membran (3). Erfindungsgemäß wird zur Ausbildung einer zwischen der Membran (3) und mindestens einer der beiden Gasdiffusionslagen (1, 2) angeordneten, lokal begrenzten Katalysatorschicht (4) ein Katalysatormaterial (5) auf die Membran (3) oder die mindestens eine Gasdiffusionslage (1, 2) aufgebracht, und zwar lokal begrenzt auf mindestens einen Randbereich- einer Kontaktfläche der Membran (3) mit der mindestens einen Gasdiffusionslage (1, 2) oder- einer Kontaktfläche der mindestens einen Gasdiffusionslage (1, 2) mit der Membran (3).The invention relates to a method for producing an electrochemical cell, in particular a fuel cell or an electrolysis cell, having a membrane (3) arranged between two gas diffusion layers (1, 2). According to the invention, in order to form a locally delimited catalyst layer (4) arranged between the membrane (3) and at least one of the two gas diffusion layers (1, 2), a catalyst material (5) is applied to the membrane (3) or the at least one gas diffusion layer (1, 2), specifically locally delimited to at least one edge region - a contact surface of the membrane (3) with the at least one gas diffusion layer (1, 2) or - a contact surface of the at least one gas diffusion layer (1, 2) with the membrane (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, beispielsweise einer Brennstoffzelle oder einer Elektrolysezelle.The invention relates to a method for producing an electrochemical cell, for example a fuel cell or an electrolysis cell.

Bevorzugter Anwendungsbereich sind Brennstoffzellenstapel oder Elektrolyseure. Bei dem Elektrolyseur kann es sich sowohl um einen PEM- als auch um einen AEM-Elektrolyseur handeln.The preferred application area is fuel cell stacks or electrolyzers. The electrolyzer can be either a PEM or an AEM electrolyzer.

Stand der TechnikState of the art

Den Kern einer elektrochemischen Zelle bildet eine protonendurchlässige Membran aus, die sogenannte Protonenaustauschmembran, oder einen anionendurchlässige Membran, die sogenannte Anionenaustauschmembran. Zur Ausbildung einer Kathode und einer Anode ist die Membran beidseits mit einem Katalysatormaterial beschichtet. An der mit Katalysatormaterial beschichteten Membran liegen beidseits jeweils eine Gasdiffusionslage sowie eine Bipolarplatte an. Bei der Bipolarplatte handelt es sich in der Regel um ein geprägtes Blech, das ein sich in Plattenebene erstreckendes Strömungsfeld für ein Reaktionsmedium der elektrochemischen Zelle ausbildet. Die zwischen den Bipolarplatten und der Membran angeordneten Gasdiffusionslagen weisen jeweils eine poröse Struktur auf, so dass das jeweilige Reaktionsmedium bis an die Membran herangeführt werden kann; Reaktionsmedien können beispielsweise Sauerstoff, Wasserstoff und/oder Wasser sein.The core of an electrochemical cell is a proton-permeable membrane, the so-called proton exchange membrane, or an anion-permeable membrane, the so-called anion exchange membrane. To form a cathode and an anode, the membrane is coated on both sides with a catalyst material. A gas diffusion layer and a bipolar plate are attached to both sides of the membrane coated with catalyst material. The bipolar plate is usually a stamped sheet that forms a flow field extending in the plane of the plate for a reaction medium of the electrochemical cell. The gas diffusion layers arranged between the bipolar plates and the membrane each have a porous structure so that the respective reaction medium can be brought up to the membrane; reaction media can be, for example, oxygen, hydrogen and/or water.

Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, den Materialeinsatz bei der Herstellung einer elektrochemischen Zelle zu reduzieren und damit die Herstellung resourcenschonender und kostengünstiger zu gestalten.The present invention is concerned with the task of reducing the use of materials in the production of an electrochemical cell and thus making the production more resource-efficient and cost-effective.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.To solve the problem, the method with the features of claim 1 is proposed. Advantageous further developments of the invention can be found in the subclaims.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer Brennstoffzelle oder einer Elektrolysezelle, aufweisend eine zwischen zwei Gasdiffusionslagen angeordnete Membran. Erfindungsgemäß wird zur Ausbildung einer zwischen der Membran und mindestens einer der beiden Gasdiffusionslagen angeordneten, lokal begrenzten Katalysatorschicht ein Katalysatormaterial auf die Membran oder die mindestens eine Gasdiffusionslage aufgebracht, und zwar lokal begrenzt auf mindestens einen Randbereich

  • - einer Kontaktfläche der Membran mit der mindestens einen Gasdiffusionslage oder
  • - einer Kontaktfläche der mindestens einen Gasdiffusionslage mit der Membran.
A method is proposed for producing an electrochemical cell, in particular a fuel cell or an electrolysis cell, comprising a membrane arranged between two gas diffusion layers. According to the invention, in order to form a locally limited catalyst layer arranged between the membrane and at least one of the two gas diffusion layers, a catalyst material is applied to the membrane or the at least one gas diffusion layer, specifically locally limited to at least one edge region.
  • - a contact surface of the membrane with the at least one gas diffusion layer or
  • - a contact surface of the at least one gas diffusion layer with the membrane.

Da die Katalysatorschicht nicht vollflächig aufgebracht wird, sondern lediglich in mindestens einem Randbereich einer Kontaktfläche zwischen der Membran und mindestens einer Gasdiffusionslage, reduziert sich die zur Ausbildung der Katalysatorschicht benötigte Menge an Katalysatormaterial deutlich. Das Katalysatormaterial kann dabei wahlweise auf die Membran oder auf mindestens eine der beiden Gasdiffusionslagen aufgebracht werden.Since the catalyst layer is not applied over the entire surface, but only in at least one edge region of a contact surface between the membrane and at least one gas diffusion layer, the amount of catalyst material required to form the catalyst layer is significantly reduced. The catalyst material can be applied either to the membrane or to at least one of the two gas diffusion layers.

Wird das Katalysatormaterial auf mindestens eine der beiden Gasdiffusionslagen aufgebracht, ist der mindestens eine Randbereich einer Kontaktfläche der Gasdiffusionslage mit der Membran durch die Öffnungen der porösen Struktur der Gasdiffusionslage vorgegeben. Denn die Kontaktfläche endet jeweils an einer Öffnung, so dass der die Öffnung einfassende Bereich der Kontaktfläche einen Randbereich definiert.If the catalyst material is applied to at least one of the two gas diffusion layers, at least one edge region of a contact surface of the gas diffusion layer with the membrane is defined by the openings in the porous structure of the gas diffusion layer. This is because the contact surface ends at an opening, so that the area of the contact surface enclosing the opening defines an edge region.

Wird das Katalysatormaterial auf die Membran aufgebracht, muss die Kontaktfläche, insbesondere der mindestens eine Randbereich der Kontaktfläche, erst noch definiert werden.If the catalyst material is applied to the membrane, the contact surface, in particular at least one edge area of the contact surface, must first be defined.

Vorteilhafterweise wird daher das Katalysatormaterial auf mindestens eine der beiden Gasdiffusionslagen aufgebracht. Zur Maximierung der Materialersparnis wird vorzugsweise das Katalysatormaterial auf beide Gasdiffusionslagen lediglich lokal begrenzt aufgebracht.The catalyst material is therefore advantageously applied to at least one of the two gas diffusion layers. To maximize material savings, the catalyst material is preferably applied to both gas diffusion layers only in a locally limited manner.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Katalysatormaterial in Form eines Streifens auf die Membran oder die mindestens eine Gasdiffusionslage aufgebracht wird. Der Streifen gibt damit die Breite der Katalysatorschicht im Randbereich einer Kontaktfläche vor. Bevorzugt weist der Steifen eine Breite b < 10 µm auf. Der Streifen kann zumindest abschnittsweise gerade und/oder bogenförmig verlaufen. Wird er um eine Öffnung der porösen Struktur einer Gasdiffusionslage herum angeordnet, orientiert sich vorzugsweise der Verlauf des Streifens an der Form der Öffnung.It is further proposed that the catalyst material be applied to the membrane or the at least one gas diffusion layer in the form of a strip. The strip thus specifies the width of the catalyst layer in the edge region of a contact surface. The strip preferably has a width b < 10 µm. The strip can be straight and/or curved at least in sections. If it is arranged around an opening in the porous structure of a gas diffusion layer, the course of the strip is preferably based on the shape of the opening.

Bevorzugt wird vor dem Aufbringen des Katalysatormaterials die zu beschichtende Fläche der Membran oder der mindestens einen Gasdiffusionslage maskiert. Mit Hilfe der Maskierung bzw. Maske kann der zu beschichtende Bereich exakt vorgegeben werden. Das Maskieren kann beispielsweise mit Hilfe von Photolack oder Imprintlack vorgenommen werden. Katalysatormaterial, das später mit der Maske entfernt wird, kann gesammelt und wiederverwendet werden.Preferably, the area of the membrane or the at least one gas diffusion layer to be coated is masked before the catalyst material is applied. The masking or mask can be used to precisely specify the area to be coated. The masking can be carried out using photoresist or imprint resist, for example. Catalyst material that is later removed with the mask can be collected and reused.

Ferner bevorzugt wird vor dem Aufbringen des Katalysatormaterials die zu beschichtende Fläche der Membran oder der mindestens einen Gasdiffusionslage mittels eines Lithographieverfahrens, beispielsweise mittels optischer Lithographie oder Imprint-Lithographie, definiert. Dieser Verfahrensschritt ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Kontaktfläche nicht durch Öffnungen der Membran oder der mindestens einen Gasdiffusionslage vorgegeben ist. Bei der Membran ist dies grundsätzlich der Fall. Bei der Gasdiffusionslage kann dies der Fall sein, wenn die Öffnungen für den Medientransport erst nachträglich eingebracht werden.Furthermore, before the catalyst material is applied, the surface of the membrane or of the at least one gas diffusion layer to be coated is preferably defined using a lithography process, for example using optical lithography or imprint lithography. This process step is particularly advantageous if the contact surface is not predetermined by openings in the membrane or the at least one gas diffusion layer. This is generally the case with the membrane. This can be the case with the gas diffusion layer if the openings for media transport are only introduced subsequently.

Vorteilhafterweise wird vor dem Aufbringen des Katalysatormaterials die zu beschichtende Fläche der Membran oder der mindestens einen Gasdiffusionslage gereinigt. Dadurch kann die Haftung der Katalysatorschicht auf der Membran bzw. der mindestens einen Gasdiffusionslage verbessert werden. Zugleich wird der elektrische Kontakt zwischen der Membran und der Gasdiffusionslage optimiert. Die Reinigung kann insbesondere das Entfernern einer Oxidschicht umfassen, beispielsweise durch lonensputtern, reaktives lonenätzen, chemische Reinigung und/oder Oxidentfernung im Bad. Die Oxidentfernung im Bad kann optional mit Ultraschall ausgeführt werden.Advantageously, the surface of the membrane or the at least one gas diffusion layer to be coated is cleaned before the catalyst material is applied. This can improve the adhesion of the catalyst layer to the membrane or the at least one gas diffusion layer. At the same time, the electrical contact between the membrane and the gas diffusion layer is optimized. The cleaning can in particular comprise the removal of an oxide layer, for example by ion sputtering, reactive ion etching, chemical cleaning and/or oxide removal in the bath. The oxide removal in the bath can optionally be carried out using ultrasound.

Bei der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens wird vorzugsweise mindestens ein metallisches Material, insbesondere Iridium, Ruthenium, Platin, Osmium und/oder hieraus gebildete Oxide, Nitride und/oder Karbide als Katalysatormaterial verwendet. Diese metallischen Materialien sind als Katalysatormaterial besonders gut geeignet.When carrying out the proposed method, preferably at least one metallic material, in particular iridium, ruthenium, platinum, osmium and/or oxides, nitrides and/or carbides formed therefrom, is used as catalyst material. These metallic materials are particularly suitable as catalyst material.

Das Katalysatormaterial kann insbesondere in einem physikalischen Gasphasenabscheidungsprozess, einem chemischen Gasphasenabscheidungsprozess, einem Atomlagenabscheidungsprozess, einem Elektrodepositionsprozess und/oder mittels eines thermischen Verdampfers aufgebracht werden. Bevorzugt wird das Katalysatormaterial in einer Dicke d < 1000 nm, vorzugsweise d < 200 nm, auf die Membran oder die mindestens eine Gasdiffusionslage aufgebracht.The catalyst material can be applied in particular in a physical vapor deposition process, a chemical vapor deposition process, an atomic layer deposition process, an electrodeposition process and/or by means of a thermal evaporator. The catalyst material is preferably applied to the membrane or the at least one gas diffusion layer in a thickness d < 1000 nm, preferably d < 200 nm.

Wie bereits erwähnt, wird das Katalysatormaterial bevorzugt auf mindestens eine Gasdiffusionslage aufgebracht, da diese in der Regel eine poröse Struktur bzw. Öffnungen für den Medientransport aufweist, so dass hierüber der mindestens eine Randbereich einer Kontaktfläche mit der Membran vorgegeben ist. Das Katalysatormaterial wird dann um mindestens eine Öffnung herum angeordnet.As already mentioned, the catalyst material is preferably applied to at least one gas diffusion layer, since this usually has a porous structure or openings for media transport, so that at least one edge region of a contact surface with the membrane is defined by this. The catalyst material is then arranged around at least one opening.

Eine Gasdiffusionslage muss jedoch nicht zwingend von vornherein eine poröse Struktur oder Öffnungen für den Medientransport aufweisen.However, a gas diffusion layer does not necessarily have to have a porous structure or openings for media transport.

In diesem Fall wird vorgeschlagen, dass in die mindestens eine Gasdiffusionslage, vorzugsweise vor oder nach dem Aufbringen des Katalysatormaterials, Öffnungen für den Medientransport eingebracht werden, beispielsweise durch Stanzen, Bohren, insbesondere Laserbohren, und/oder Schneiden, insbesondere Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden. Der mindestens eine Randbereich der Kontaktfläche kann in diesem Fall vorab festgelegt werden, beispielsweise durch eine entsprechende Maskierung bzw. Maske, so dass hierüber zugleich die Position der Öffnungen vorgegeben ist. Der mindestens eine Randbereich der Kontaktfläche wird dann erst mit Einbringen der Öffnungen geschaffen.In this case, it is proposed that openings for media transport are introduced into the at least one gas diffusion layer, preferably before or after the catalyst material is applied, for example by punching, drilling, in particular laser drilling, and/or cutting, in particular laser cutting or water jet cutting. The at least one edge region of the contact surface can in this case be defined in advance, for example by means of a corresponding mask or mask, so that the position of the openings is also specified. The at least one edge region of the contact surface is then only created when the openings are introduced.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass beim Einbringen der Öffnungen in die mindestens eine Gasdiffusionslage die Öffnungen einfassende Erhebungen ausgebildet werden, die den mindestens einen Randbereich der Kontaktfläche der Gasdiffusionslage mit der Membran definieren. Anschließend kann dann der mindestens eine Randbereich mit dem Katalysatormaterial beschichtet werden.In a further development of the invention, it is proposed that when the openings are introduced into the at least one gas diffusion layer, elevations are formed which enclose the openings and which define the at least one edge region of the contact surface of the gas diffusion layer with the membrane. The at least one edge region can then be coated with the catalyst material.

Das gezielte Einbringen von Erhebungen besitzt den Vorteil, dass das Aufbringen des Katalysatormaterials in einfacher Weise auf den Bereich der Erhebungen lokal begrenzt werden kann, beispielsweise durch Anlegen eines elektrischen Felds während eines Beschichtungsprozesses, durch Strahlabscheidung unter einem bestimmten Winkel, durch Beschichten in einem Schmelzbad mit definierter Eintauchtiefe oder durch Kolloidabscheidung unter einem elektrischen Feld.The targeted introduction of elevations has the advantage that the application of the catalyst material can be easily limited locally to the area of the elevations, for example by applying an electric field during a coating process, by jet deposition at a certain angle, by coating in a melt bath with a defined immersion depth or by colloid deposition under an electric field.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine Gasdiffusionslage aus einem Blechband hergestellt wird. Dieses kann bereits eine poröse Struktur und/oder vordefinierte Öffnungen für den Medientransport aufweisen oder die Öffnungen werden erst noch in das Blechband eingebracht. Das Blechband kann von einer Rolle einer Anlage zum Beschichten der Gasdiffusionslage zugeführt werden. Ferner kann das Blechband verschiedenen Stationen der Anlage zugeführt werden, in denen die einzelnen Verfahrensschritte ausgeführt werden.In addition, it is proposed that the at least one gas diffusion layer is made from a sheet metal strip. This can already have a porous structure and/or predefined openings for media transport, or the openings are still to be introduced into the sheet metal strip. The sheet metal strip can be fed from a roll to a system for coating the gas diffusion layer. Furthermore, the sheet metal strip can be fed to various stations in the system in which the individual process steps are carried out.

Die Herstellung der mindestens einen Gasdiffusionslage aus einem Blechband ermöglicht die Massenproduktion von Gasdiffusionslagen, insbesondere von Gasdiffusionslagen, die lokal begrenzt mit einem Katalysatormaterial beschichtet sind.The production of the at least one gas diffusion layer from a sheet metal strip enables the mass production of gas diffusion layers, in particular gas diffusion layers which are locally coated with a catalyst material.

Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

  • 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Membran und zwei Gasdiffusionslagen vor dem Fügen,
  • 2 einen schematischen Längsschnitt durch die Membran und die Gasdiffusionslagen der 1 nach dem Fügen,
  • 3 eine Draufsicht auf eine maskierte Gasdiffusionslage mit regelmäßigen Öffnungen für den Medientransport,
  • 4 eine Draufsicht auf eine maskierte Gasdiffusionslage mit unregelmäßigen Öffnungen für den Medientransport,
  • 5 a) -c) jeweils einen Längsschnitt durch eine Gasdiffusionslage während ihrer Herstellung und
  • 6 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
The invention and its advantages are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:
  • 1 a schematic longitudinal section through a membrane and two gas diffusion layers before joining,
  • 2 a schematic longitudinal section through the membrane and the gas diffusion layers of the 1 after joining,
  • 3 a top view of a masked gas diffusion layer with regular openings for media transport,
  • 4 a top view of a masked gas diffusion layer with irregular openings for media transport,
  • 5 a) -c) a longitudinal section through a gas diffusion layer during its manufacture and
  • 6 a schematic representation of the process steps of a process according to the invention.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

Der 1 ist eine zwischen zwei Gasdiffusionslagen 1, 2 angeordnete Membran 3 vor dem Fügen zu entnehmen. Die Gasdiffusionslagen 1, 2 weisen jeweils eine Vielzahl an Öffnungen 6 für den Medientransport auf. Die zwischen den Öffnungen 6 verbleibenden Flächen bilden nach dem Fügen Kontaktflächen mit der Membran 3 aus. Die Kontaktflächen weisen die Öffnungen 6 einfassende Randbereiche auf, die vorliegend mit einem Katalysatormaterial 5 beschichtet sind. Nach dem Fügen liegen die beschichteten Randbereiche an der Membran 3 an (siehe 2).The 1 a membrane 3 arranged between two gas diffusion layers 1, 2 is to be removed before joining. The gas diffusion layers 1, 2 each have a plurality of openings 6 for media transport. The areas remaining between the openings 6 form contact surfaces with the membrane 3 after joining. The contact surfaces have edge areas enclosing the openings 6, which in this case are coated with a catalyst material 5. After joining, the coated edge areas lie against the membrane 3 (see 2 ).

Wie beispielhaft in den 3 und 4 dargestellt, können die Gasdiffusionslagen 1, 2 regelmäßige Öffnungen 6 oder unregelmäßige Öffnungen 6 aufweisen. Die Bereiche zwischen den Öffnungen 6 bilden Kontaktflächen aus. Die Randbereiche der Kontaktflächen werden wiederum durch die Öffnungen 6 definiert. Dadurch, dass das Katalysatormaterial 5 nur in den Randbereichen aufgebracht wird, werden die Öffnungen 6 jeweils von einer streifenförmigen Katalysatorschicht 4 eingefasst.As exemplified in the 3 and 4 As shown, the gas diffusion layers 1, 2 can have regular openings 6 or irregular openings 6. The areas between the openings 6 form contact surfaces. The edge areas of the contact surfaces are in turn defined by the openings 6. Because the catalyst material 5 is only applied in the edge areas, the openings 6 are each surrounded by a strip-shaped catalyst layer 4.

Die Öffnungen 6 für den Medientransport können bereits in der Gasdiffusionslage 1 (2) vorhanden sein, beispielsweise aufgrund einer porösen Struktur der Gasdiffusionslage 1 (2), oder sie werden erst noch in die Gasdiffusionslage 1 (2) eingebracht. Ist letzteres der Fall, kann wie beispielhaft in der 5 dargestellt vorgegangen werden.The openings 6 for the media transport can already be present in the gas diffusion layer 1 (2), for example due to a porous structure of the gas diffusion layer 1 (2), or they are still introduced into the gas diffusion layer 1 (2). If the latter is the case, as shown in the example in the 5 shown.

Die 5a) zeigt eine Gasdiffusionslage 1 (2) ohne Öffnungen 6. Die Öffnungen 6 werden durch Stanzen oder Schneiden erst noch in die Gasdiffusionslage 1 (2) eingebracht. Dabei werden die Randbereiche gezielt plastisch verformt, so dass um die Öffnungen 6 herum Erhebungen 8 ausgebildet werden (siehe 5b)). Die Erhebungen 8 definieren in diesem Fall die mit dem Katalysatormaterial 5 zu beschichtenden Randbereiche. Diese können selektiv beschichtet werden (siehe 5c)), beispielsweise durch Beschichten unter Verwendung eines elektrischen Felds, Beschichten unter einem flachen Winkel oder durch Tauchbeschichten mit einer Tauchtiefe kleiner als die Höhe der Erhebung.The 5a) shows a gas diffusion layer 1 (2) without openings 6. The openings 6 are first introduced into the gas diffusion layer 1 (2) by punching or cutting. The edge areas are plastically deformed in a targeted manner so that elevations 8 are formed around the openings 6 (see 5b) ). In this case, the elevations 8 define the edge areas to be coated with the catalyst material 5. These can be coated selectively (see 5c )), for example by coating using an electric field, coating at a shallow angle or by dip coating with a dipping depth smaller than the height of the bump.

Anhand der 6 wird nachfolgend ein bevorzugter Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, wobei das Katalysatormaterial 5 nicht auf einer Membran 3, sondern auf einer Gasdiffusionslage 1 (2) aufgebracht wird. Der 6 ist zu entnehmen, dass die Gasdiffusionslage 1 (2) in Form eines Blechbands 7 bereitgestellt wird, das auf eine Rolle 9 gewickelt ist und von der Rolle 9 einer Anlage 10 zugeführt wird. Die Anlage 10 umfasst mehrere Einzelkammern 11, in denen jeweils ein Verfahrensschritt ausgeführt wird. Alternativ können auch alle Verfahrensschritte in einer einzigen großen Kammer 12 ausgeführt werden.Based on 6 A preferred sequence of a method according to the invention is explained below, wherein the catalyst material 5 is not applied to a membrane 3, but to a gas diffusion layer 1 (2). The 6 It can be seen that the gas diffusion layer 1 (2) is provided in the form of a sheet metal strip 7 which is wound onto a roll 9 and fed from the roll 9 to a system 10. The system 10 comprises several individual chambers 11, in each of which a process step is carried out. Alternatively, all process steps can be carried out in a single large chamber 12.

In Schritt S1 wird auf das Blechband 7 eine Maske aufgebracht, beispielsweise in einem Rollverfahren. Zur Ausbildung der Maske kann insbesondere ein Photolack oder Imprintlack verwendet werden. Die Maske weist Öffnungen auf, die größer als im Blechband 7 ausgebildete Öffnungen 6 für den Medientransport sind. Zwischen der Maske und den Öffnungen 6 verbleibt demnach jeweils ein umlaufend gleich breiter Randstreifen bzw. Randbereich, der unmaskiert bleibt.In step S1, a mask is applied to the sheet metal strip 7, for example in a rolling process. A photoresist or imprint resist can be used in particular to form the mask. The mask has openings that are larger than the openings 6 formed in the sheet metal strip 7 for media transport. Between the mask and the openings 6, there therefore remains an edge strip or edge area of equal width all the way around, which remains unmasked.

In Schritt S2 werden die mit Katalysatormaterial 5 zu beschichtenden Randbereiche definiert, beispielsweise durch optische Lithographie oder Imprint Lithographie. Optional können in Schritt S2 die Kanten der Randbereiche verrundet werden.In step S2, the edge regions to be coated with catalyst material 5 are defined, for example by optical lithography or imprint lithography. Optionally, the edges of the edge regions can be rounded in step S2.

In Schritt S3 werden die mit Katalysatormaterial 5 zu beschichtenden Randbereiche gereinigt, beispielsweise durch Entfernen einer Oxidschicht. Dadurch kann die Haftung des aufzubringenden Katalysatormaterials 5 auf der Gasdiffusionslage 1 (2) verbessert werden.In step S3, the edge regions to be coated with catalyst material 5 are cleaned, for example by removing an oxide layer. This can improve the adhesion of the catalyst material 5 to be applied to the gas diffusion layer 1 (2).

In Schritt S4 werden die Randbereiche mit dem Katalysatormaterial 5 beschichtet, beispielsweise in einem physikalischen Gasphasenabscheidungsprozess, einem chemischen Gasphasenabscheidungsprozess, einem Atomlagenabscheidungsprozess, einem Elektrodepositionsprozess und/oder mittels eines thermischen Verdampfers.In step S4, the edge regions are coated with the catalyst material 5, for example in a physical vapor deposition process, a chemical vapor deposition process, an atomic layer deposition process, an electrodeposition process and/or by means of a thermal evaporator.

In Schritt S5 wird die Maske entfernt und mit der Maske überschüssiges Katalysatormaterial 5. Das überschüssige Katalysatormaterial 5 kann gesammelt und wiederverwendet werden.In step S5, the mask is removed and with the mask excess catalyst material 5. The excess catalyst material 5 can be collected and reused.

In Schritt 6 wird die Plattengeometrie und damit die Bauteilgeometrie der Gasdiffusionslage 1 (2) aus dem Blechband 7 erstellt, beispielsweise durch Stanzen oder Schneiden, insbesondere Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden.In step 6, the plate geometry and thus the component geometry of the gas diffusion layer 1 (2) is created from the sheet metal strip 7, for example by punching or cutting, in particular laser cutting or water jet cutting.

Sofern ein Blechband 7 ohne Öffnungen 6 für den Medientransport verwendet wird, umfasst das Verfahren mindestens einen weiteren Verfahrensschritt, der vor oder nach dem Beschichten des Blechbands 7 mit dem Katalysatormaterial 5 ausgeführt werden kann und das Einbringen der Öffnungen 6 beinhaltet.If a sheet metal strip 7 without openings 6 is used for media transport, the method comprises at least one further method step which can be carried out before or after coating the sheet metal strip 7 with the catalyst material 5 and includes the introduction of the openings 6.

Soll das Katalysatormaterial 5 auf die Membran 3 aufgebracht werden kann analog vorgegangen werden, wobei allerdings keine Öffnungen 6 für den Medientransport in die Membran 3 eingebracht werden. Die zu beschichtenden Randbereiche werden dann mit Hilfe einer Maske und/oder mittels optischer Lithographie auf der Membran 3 definiert. Die Membran 3 kann dabei ebenfalls als Bandmaterial vorliegen, da von einer Rolle zugeführt wird.If the catalyst material 5 is to be applied to the membrane 3, the procedure can be analogous, although no openings 6 for media transport are introduced into the membrane 3. The edge areas to be coated are then defined on the membrane 3 using a mask and/or optical lithography. The membrane 3 can also be in the form of strip material, since it is fed from a roll.

Claims (11)

Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer Brennstoffzelle oder einer Elektrolysezelle, aufweisend eine zwischen zwei Gasdiffusionslagen (1, 2) angeordnete Membran (3), dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung einer zwischen der Membran (3) und mindestens einer der beiden Gasdiffusionslagen (1, 2) angeordneten, lokal begrenzten Katalysatorschicht (4) ein Katalysatormaterial (5) auf die Membran (3) oder die mindestens eine Gasdiffusionslage (1, 2) aufgebracht wird, und zwar lokal begrenzt auf mindestens einen Randbereich - einer Kontaktfläche der Membran (3) mit der mindestens einen Gasdiffusionslage (1, 2) oder - einer Kontaktfläche der mindestens einen Gasdiffusionslage (1, 2) mit der Membran (3).Method for producing an electrochemical cell, in particular a fuel cell or an electrolysis cell, having a membrane (3) arranged between two gas diffusion layers (1, 2), characterized in that in order to form a locally delimited catalyst layer (4) arranged between the membrane (3) and at least one of the two gas diffusion layers (1, 2), a catalyst material (5) is applied to the membrane (3) or the at least one gas diffusion layer (1, 2), specifically locally delimited to at least one edge region - a contact surface of the membrane (3) with the at least one gas diffusion layer (1, 2) or - a contact surface of the at least one gas diffusion layer (1, 2) with the membrane (3). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatormaterial (5) in Form eines Streifens auf die Membran (3) oder die mindestens eine Gasdiffusionslage (1, 2) aufgebracht wird, wobei vorzugsweise der Streifen eine Breite (b) < 10 µm aufweist.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the catalyst material (5) is applied in the form of a strip to the membrane (3) or the at least one gas diffusion layer (1, 2), wherein the strip preferably has a width (b) < 10 µm. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen des Katalysatormaterials (5) die zu beschichtende Fläche der Membran (3) oder der mindestens einen Gasdiffusionslage (1, 2) maskiert wird, beispielsweise mit Hilfe von Photolack oder Imprintlack.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that before the application of the catalyst material (5), the surface of the membrane (3) or of the at least one gas diffusion layer (1, 2) to be coated is masked, for example with the aid of photoresist or imprint resist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen des Katalysatormaterials (5) die zu beschichtende Fläche der Membran (3) oder der mindestens einen Gasdiffusionslage (1, 2) mittels eines Lithographieverfahrens, beispielsweise mittels optischer Lithographie oder Imprint-Lithographie, definiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that before the application of the catalyst material (5), the surface of the membrane (3) or of the at least one gas diffusion layer (1, 2) to be coated is defined by means of a lithography method, for example by means of optical lithography or imprint lithography. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen des Katalysatormaterials (5) die zu beschichtende Fläche der Membran (3) oder der mindestens einen Gasdiffusionslage (1, 2) gereinigt, insbesondere von einer Oxidschicht befreit, wird, beispielsweise durch lonensputtern, reaktives lonenätzen, chemische Reinigung und/oder Oxidentfernung im Bad.Method according to one of the preceding claims, characterized in that before the application of the catalyst material (5), the surface of the membrane (3) or of the at least one gas diffusion layer (1, 2) to be coated is cleaned, in particular freed from an oxide layer, for example by ion sputtering, reactive ion etching, chemical cleaning and/or oxide removal in the bath. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein metallisches Material, insbesondere Iridium, Ruthenium, Platin, Osmium und/oder hieraus gebildete Oxide, Nitride und/oder Karbide als Katalysatormaterial (5) verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one metallic material, in particular iridium, ruthenium, platinum, osmium and/or oxides, nitrides and/or carbides formed therefrom, is used as catalyst material (5). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatormaterial (5) in einem physikalischen Gasphasenabscheidungsprozess, einem chemischen Gasphasenabscheidungsprozess, einem Atomlagenabscheidungsprozess, einem Elektrodepositionsprozess und/oder mittels eines thermischen Verdampfers aufgebracht wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the catalyst material (5) is applied in a physical vapor deposition process, a chemical vapor deposition process, an atomic layer deposition process, an electrodeposition process and/or by means of a thermal evaporator. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatormaterial (5) in einer Dicke (d) < 1000 nm, vorzugsweise (d) < 200 nm, auf die Membran (3) oder die mindestens eine Gasdiffusionslage (1, 2) aufgebracht wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the catalyst material (5) is applied to the membrane (3) or the at least one gas diffusion layer (1, 2) in a thickness (d) < 1000 nm, preferably (d) < 200 nm. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die mindestens eine Gasdiffusionslage (1, 2), vorzugsweise vor oder nach dem Aufbringen des Katalysatormaterials (5), Öffnungen (6) für den Medientransport eingebracht werden, beispielsweise durch Stanzen, Bohren, insbesondere Laserbohren, und/oder Schneiden, insbesondere Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that openings (6) for media transport are introduced into the at least one gas diffusion layer (1, 2), preferably before or after the application of the catalyst material (5), for example by punching, drilling, in particular laser drilling, and/or cutting, in particular laser cutting or water jet cutting. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einbringen der Öffnungen (6) in die mindestens eine Gasdiffusionslage (1, 2) die Öffnungen (6) einfassende Erhebungen (8) ausgebildet werden, die den mindestens einen Randbereich der Kontaktfläche der Gasdiffusionslage (1, 2) mit der Membran (3) definieren.Procedure according to Claim 9 , characterized in that when the openings (6) are introduced into the at least one gas diffusion layer (1, 2), elevations (8) are formed which enclose the openings (6) and define the at least one edge region of the contact surface of the gas diffusion layer (1, 2) with the membrane (3). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Gasdiffusionslage (1, 2) aus einem Blechband (7) hergestellt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one gas diffusion layer (1, 2) is produced from a sheet metal strip (7).
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