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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, beispielsweise einer Brennstoffzelle oder einer Elektrolysezelle.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle oder eine Elektrolysezelle. Ferner werden ein Brennstoffzellenstapel und ein Elektrolyseur mit jeweils mindestens einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle angegeben.
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Bei dem Elektrolyseur kann es sich insbesondere um einen PEM-Elektrolyseur zur Herstellung von Wasserstoff handeln.
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Stand der Technik
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Eine elektrochemische Zelle weist einen mehrschichtigen bzw. mehrlagigen Aufbau auf. Eine zentrale Schicht bzw. Lage bildet eine Membran aus, die beidseits mit einem Katalysatormaterial beschichtet ist, so dass einerseits eine Kathode, andererseits eine Anode ausgebildet werden. Diese Anordnung wird auch als Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) bezeichnet. Die MEA ist beidseits jeweils von einer Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage sowie einer Bipolarplatte eingefasst, wobei die Bipolarplatten die Zelle nach außen hin abschließen. Als Bipolarplatte dient in der Regel ein geprägtes Blech, das ein in der Plattenebene liegendes Strömungsfeld für ein Medium ausbildet, das für die elektrochemische Reaktion in der Zelle benötigt wird. Über die an den Bipolarplatten anliegenden Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlagen gelangt dann das jeweilige Medium bis an die Membran, das heißt bis an den Bereich, an dem die elektrochemische Reaktion stattfindet. Für den Medientransport weisen die Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlagen jeweils eine poröse Struktur auf.
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Zum Anlegen und/oder Abgreifen einer elektrischen Spannung müssen die Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlagen zudem in einem elektrischen Kontakt mit der Membran stehen. Zur Optimierung des elektrischen Kontakts können die Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlagen membranseitig jeweils eine mikroporöse Lage aufweisen. Es sind auch Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlagen bekannt, die anstelle der Membran jeweils mit einem Katalysatormaterial beschichtet und somit Teil der MEA sind.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Katalysatormaterialien bekannt. Häufig werden Platin (Pt), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru) und Osmium (Os) sowie Verbindungen hieraus, beispielsweise PtOx, IrO2, IrOx, Ru, RuO2, RuOx, OsOx, als Katalysatormaterial eingesetzt. Zur Ausbildung einer Katalysatorschicht auf einer Membran oder einer Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage werden Partikel des jeweiligen Katalysatormaterials mit einem Bindemittel, insbesondere mit einem lonomer, gemischt und die Mischung auf die jeweils zu beschichtende Oberfläche aufgebracht.
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Der Grad der Beladung einer Katalysatorschicht mit Katalysatormaterial beeinflusst in erheblichem Maße die Effizienz einer elektrochemischen Zelle. Mit dem Grad der Beladung steigen jedoch auch die Kosten. Das Interesse ist daher groß, den Grad der Beladung zu senken, jedoch ohne zugleich die Funktionalität der Zelle zu beeinträchtigten.
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Mit dieser Aufgabe ist die vorliegende Erfindung befasst. Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die elektrochemische Zelle mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Des Weiteren werden ein Brennstoffzellenstapel sowie ein Elektrolyseur jeweils mit mindestens einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer Brennstoffzelle oder einer Elektrolysezelle. Bei dem Verfahren wird eine Membran zur Ausbildung einer Kathode und einer Anode beidseits mit einem Katalysatormaterial beschichtet und an die beschichtete Membran wird beidseits jeweils eine Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage angelegt. Erfindungsgemäß wird vor dem Anlegen an die Membran auf mindestens einer der beiden Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlagen eine nanoskalige Struktur aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet und die Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage wird beim Anlegen in der Weise orientiert, dass die nanoskalige Struktur an der beschichteten Membran anliegt.
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Die nanoskalige Struktur auf der Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage erhöht die Rauigkeit der an der Membran anliegenden Oberfläche und damit die Kontaktfläche. Das heißt, dass sich die durchschnittliche Weglänge der von der Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage zur Membran strömenden Elektronen verkürzt und die Effizienz der Zelle steigt. Dies wiederum ermöglicht den Grad der Beladung einer Katalysatorschicht mit Katalysatormaterial zu senken.
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Zur Ausbildung der nanoskaligen Struktur wird vorzugsweise ein elektrisch leitfähiges Material verwendet, das eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist und zudem chemisch stabil ist. Bevorzugt wird daher Gold, Platin, Iridium, eine Platinlegierung oder eine Iridiumlegierung als elektrisch leitfähiges Material verwendet.
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Ferner bevorzugt wird zu Ausbildung der nanoskaligen Struktur das elektrisch leitfähige Material auf die mindestens eine Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage gesprüht oder gespritzt. Hierzu eignen sich insbesondere Verfahren, wie beispielsweise das Sputtern. Beim Aufsprühen bzw. Aufspritzen kann das elektrisch leitfähige Material derart fein zerstäubt werden, dass einzelne Teilchen, haar- oder faserartige Gebilde die gewünschte nanoskalige Struktur ausbilden. Weitere Arbeitsschritte zur Ausbildung der nanoskaligen Struktur bedarf es in diesem Fall nicht.
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Alternativ kann das elektrisch leitfähige Material vollflächig und/oder deckend auf die mindestens eine Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage aufgebracht und nach dem Aufbringen teilweise wieder entfernt werden, um die gewünschte nanoskalige Struktur auszubilden. Das teilweise Entfernen des elektrisch leitfähigen Materials kann beispielsweise mittels Laserablation bewirkt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage vor dem Aufbringen des elektrisch leitfähigen Materials mit Platin beschichtet wird. Über die Zwischenschicht aus Platin kann die Haftung des elektrisch leitfähigen Materials auf der Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage verbessert werden. Das Beschichten der Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage mit Platin kann beispielsweise mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, elektrochemischer Abscheidung oder Atomlagenabscheidung bewirkt werden.
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Sofern nur auf einer Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage eine nanoskalige Struktur ausgebildet wird, handelt es sich dabei bevorzugt um die anodenseitige Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage. Dies gilt insbesondere, wenn die elektrochemische Zelle eine Elektrolysezelle zur Erzeugung von Wasserstoff ist. Denn in diesem Fall weist die anodenseitige Katalysatorschicht in der Regel Iridium als Katalysatormaterial auf, das sehr selten und zugleich sehr teuer ist. Die nanoskalige Struktur auf der Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage hilft somit Iridium einzusparen, ohne dass Einbußen hinsichtlich der Funktionalität der Zelle hinzunehmen sind.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die nanoskalige Struktur im Bereich einer mikroporösen Lage der mindestens einen Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage ausgebildet wird. Das heißt, dass eine Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage mit einer mikroporösen Lage verwendet wird. Diese vermittelt dann zwischen der porösen Struktur der Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage und der nanoskaligen Struktur. Sofern die Haftung mittels einer Zwischenschicht aus Platin verbessert werden soll, wird die mikroporöse Lage der Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage mit Platin beschichtet.
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Darüber hinaus wird eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle oder eine Elektrolysezelle, vorgeschlagen, Die elektrochemische Zelle weist eine Membran auf, die zur Ausbildung einer Kathode und einer Anode beidseits jeweils mit einem Katalysatormaterial beschichtet ist. Die beschichtete Membran ist dabei zwischen zwei Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlagen angeordnet. Erfindungsgemäß ist auf zumindest einer Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage eine nanoskalige Struktur aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet, über welche die Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage in elektrisch leitendem Kontakt mit der beschichteten Membran steht.
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Die auf der mindestens einen Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage ausgebildete nanoskalige Struktur erhöht die Rauigkeit der Oberfläche und damit die Kontaktfläche der Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage mit der beschichteten Membran. Entsprechend verbessert sie den Elektronenfluss von der Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage zur beschichteten Membran. Im Ergebnis kann so die Effizienz der Zelle gesteigert werden. Zugleich kann der Grad der Beladung der auf der Membran aufgebrachten Katalysatorschicht mit Katalysatormaterial reduziert werden, so dass Katalysatormaterial eingespart wird.
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Sofern nur auf einer Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage eine nanoskalige Struktur ausgebildet ist, handelt es sich vorzugsweise um die anodenseitige Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage, und zwar insbesondere dann, wenn die elektrochemische Zelle eine Elektrolysezelle zur Erzeugung von Wasserstoff ist. Denn dann kann als Katalysatormaterial dienendes Iridium eingespart werden, das sehr selten und damit sehr teuer ist.
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Die vorgeschlagene elektrochemische Zelle kann insbesondere nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sein, so dass diesbezüglich auf die Beschreibung des Verfahrens weiter oben verwiesen wird.
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Vorteilhafterweise ist das die nanoskalige Struktur ausbildende elektrisch leitfähige Material Gold, Platin, Iridium, eine Platinlegierung oder eine Iridiumlegierung, da diese Materialien eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen und zugleich chemisch stabil sind.
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Bevorzugt ist die nanoskalige Struktur auf einer mikroporösen Lage der mindestens einen Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage ausgebildet. Die mikroporöse Lage vermittelt zwischen der porösen Struktur der Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage und der nanoskaligen Struktur.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die nanoskalige Struktur auf einer Platinbeschichtung der mindestens einen Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage ausgebildet ist. Die Platinschicht verbessert die Haftung des elektrisch leitfähigen Materials auf der Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage. Sofern die Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage eine mikroporöse Lage aufweist, ist diese mit Platin beschichtet.
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Da die elektrochemische Zelle insbesondere in einem Brennstoffzellenstapel zum Einsatz gelangen kann, wird ferner ein Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle vorgeschlagen. Vorzugsweise sind mehrere, weiterhin vorzugsweise alle elektrochemischen Zellen des Brennstoffzellenstapels erfindungsgemäß ausgeführt. Auf diese Weise kann eine Effizienzsteigerung des Brennstoffzellenstapels erzielt werden, die zugleich hilft Katalysatormaterial einzusparen.
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In dem Brennstoffzellenstapel wirken auf die mindestens eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle Spannkräfte, die in der Regel durch Schraubbolzen zum Verspannen der elektrochemischen Zellen aufgebracht werden. Über die Spannkräfte werden auch die einzelnen Schichten bzw. Lagen der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle miteinander verspannt. Die auf mindestens einer Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage aufgebrachte nanoskalige Struktur wird dadurch in die Katalysatorschicht der anliegenden Membran gedrückt, so dass einzelne Teilchen, Haare und/oder Fasern der nanoskaligen Struktur in die Katalysatorschicht eindringen. Auf diese Weise kann die Kontaktfläche zwischen der Gas- und/oder der Flüssigkeitstransportlage und der Membran nochmals vergrößert werden, so dass die zuvor beschriebenen positiven Effekte noch deutlicher hervortreten.
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Da die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle ebenfalls in einem Elektrolyseur zum Einsatz gelangen kann, wird ferner ein Elektrolyseur mit mindestens einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle vorgeschlagen. Bei dem Elektrolyseur kann es sich insbesondere um einen PEM-Elektrolyseur zur Herstellung von Wasserstoff handeln. In diesem Fall kann vor allem Iridium eingespart werden, das in einer Elektrolysezelle zur Erzeugung von Wasserstoff üblicherweise als Katalysatormaterial einer anodenseitigen Katalysatorschicht eingesetzt wird. Da auch in einem Elektrolyseur die elektrochemischen Zellen miteinander verspannt werden, bewirken auch hier die Spannkräfte, dass einzelne Teilchen, Haare und/oder Fasern der auf mindestens einer Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage ausgebildeten nanoskaligen Struktur in die Katalysatorschicht eindringen und dadurch die Kontaktfläche zwischen der Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage und der Membran weiter erhöhen.
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Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine herkömmliche elektrochemische Zelle,
- 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine weitere herkömmliche elektrochemische Zelle,
- 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle,
- 4 einen vergrößerten Ausschnitt der 3 im Bereich der Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage und
- 5 eine perspektivische Darstellung eines Zellstapels zur Ausbildung eines Brennstoffzellenstapels oder eines Elektrolyseurs.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der 1 und 2 wird zunächst der Aufbau einer herkömmlichen elektrochemischen Zelle 1 erläutert.
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Die in der 1 dargestellte elektrochemische Zelle 1 weist eine zentral angeordnete Membran 2 auf, die zur Ausbildung einer Kathode 2.1 und einer Anode 2.2 beidseits mit einem Katalysatormaterial 3 beschichtet sind. Anodenseitig und kathodenseitig können dabei unterschiedliche Katalysatormaterialien 3 zum Einsatz gelangen. An der beschichteten Membran 2 liegt beidseits jeweils eine Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage 4 an, die eine poröse Struktur aufweist, so dass hierüber die jeweils für die elektrochemische Reaktion in der Zelle 1 benötigten Medien an die beschichtete Membran 2 gelangen. Die Membran 2 ist in der Fläche größer als die Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlagen 4 ausgeführt, wobei der überstehende Randbereich zwischen zwei elektrisch leitenden Bauteilen, beispielsweise zwischen zwei Bipolarplatten 7 eingespannt ist. Über die Membran 2 werden die beiden Bipolarplatten 7 elektrisch voneinander isoliert.
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Die in der 2 dargestellte elektrochemische Zelle 1 weist einen modifizierten Aufbau auf. Hier weist die Membran 2 keinen überstehenden Randbereich auf. Die elektrische Isolierung wird hier mittels eines Gaskets 8 bewirkt, das die beschichtete Membran 2 randseitig einfasst und mit der Membran 2 fluiddicht verklebt ist.
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Die Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlagen 4 einer elektrochemischen Zelle 1 können membranseitig eine mikroporöse Lage 6 aufweisen. So auch die in der 3 beispielhaft dargestellte erfindungsgemäße elektrochemische Zelle 1, wobei die 3 lediglich den anodenseitigen Aufbau der Zelle 1 zeigt. Die Membran 2 ist anodenseitig mit einem Katalysatormaterial 3 beschichtet, so dass eine Katalysatorschicht ausgebildet wird, an welcher die anodenseitige Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage 4 anliegt. Diese weist vorliegend nicht nur eine mikroporöse Schicht 6 auf der der Membran 2 zugewandten Seite auf, sondern ferner eine nanoskalige Struktur 5 aus einem elektrisch leitfähigen Material. Diese kontaktiert die auf der Membran 2 aufgebrachte Katalysatorschicht, wobei die nanoskalige Struktur 5 zugleich eine Vergrößerung der Kontaktfläche bewirkt.
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Wie insbesondere der 4 zu entnehmen ist, bildet die nanoskalige Struktur 5 vorstehende Teilchen 9, Haare 10 und/oder Fasern 11 aus, die zur Anlage an der Katalysatorschicht der Membran 2 gelangen. Werden mehrere elektrochemische Zellen 1 zu einem Zellstapel 12 verbunden und miteinander verspannt, dringen diese Teilchen 9, Haare 10, und/oder Fasern 11 in die Katalysatorschicht ein, so dass die Kontaktfläche der Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage 4 mit der Membran 2 nochmals vergrößert wird.
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Der 5 ist beispielhaft ein Zellstapel 12 aus mehreren elektrochemischen Zellen 1 zu entnehmen, der zwischen zwei Endplatten 13 angeordnet ist. Zwischen den Endplatten 13 und dem Zellstapel 12 sind Stromsammelplatten 16 sowie weitere Platten 15 zur elektrischen Isolation angeordnet. Mit Hilfe von Schraubbolzen 14 wird die Anordnung verspannt. Das heißt, dass sowohl die elektrochemischen Zellen 1 als auch die Schichten bzw. Lagen jeder einzelnen elektrochemischen Zelle 1 miteinander verspannt sind. Sofern die elektrochemische Zelle 1 eine Gas- und/oder Flüssigkeitstransportlage 4 mit einer nanoskaligen Struktur 5 aufweist, dringt diese über die vorstehenden Teilchen 9, Haare 10 und/oder Fasern 11 in die angrenzende Katalysatorschicht der Membran 2 ein, so dass die Kontaktfläche zwischen der Gas- und/oder Flüssigkeitslage 4 und der Membran 2 bzw. der hierauf aufgebrachten Katalysatorschicht vergrößert wird.
