WO2017093310A1 - Membrane electrode arrangement and method for producing same, fuel cell, exhaust gas probe and electrochemical component - Google Patents

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ceramic membrane
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ceramic
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Panagiotis Gedeon
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention also relates to a fuel cell, an exhaust gas probe and an electrochemical device.
  • Membrane electrode assemblies are multilayer assemblies for electrochemical devices or devices in which typically two catalytically active electrode layers coat a membrane so that the membrane is disposed between the electrode layers.
  • the coating of the membrane takes place for example by means of screen printing, wherein the
  • Electrode layers are formed with a layer thickness of several 100 ⁇ .
  • the membrane is at least in one direction, i. from one electrode to another electrode, permeable to a particular chemical compound or a group of chemical compounds and their derivatives. In fuel cells or lambda probes, the membrane is usually for
  • Oxygen ions permeable For reasons of controlling the electrochemical devices or devices, it is desirable to affect the electrical resistance of the membrane. In addition, devices or components in small-sized geometry would be advantageous. Such membrane electrode assemblies are known, for example from the
  • the membrane electrode assembly according to the invention with the features of claim 1 is characterized by a good controllability of the electrical ceramic resistance or a diffusion resistance in the material of
  • the resistance may be an electrical resistance with regard to the conduction of electrons or, in particular, a resistance to ionic conduction.
  • the membrane electrode assembly is space-saving and has a fast heating rate due to the resulting reduced thermal mass, which accelerates an application at high temperatures.
  • Membrane electrode assembly comprises a first electrode, a second electrode and a disposed between the first and the second electrode ceramic membrane, and the ceramic membrane at least one
  • the projected area of the insulating layer at least partially overlaps the projected area of the first electrode and the second electrode.
  • the coverage / overlap may be, for example, at least 5%, preferably at least 10%, more preferably at least 30%, and most preferably at least 70%.
  • Under at least one insulation layer can exactly one
  • Insulating layer or a plurality of insulating layers, or all
  • Insulation layers meant.
  • an insulation layer is understood as meaning either a film-like layer or a particulate layer.
  • a particulate layer is meant, for example, a finely divided accumulation of insulating particles in the volume of the membrane.
  • Such insulating particles which for the chemical compounds to be diffused or for ions (eg for Oxygen ions) are impermeable, for example, alumina (Al 2 0 3 ), silicon nitride (SiN x ) or silicon oxide (Si0 2 ) included.
  • the grain size of such particles can be, for example, in a range from 10 nm to 2 ⁇ m, preferably in a range from 20 nm to 500 nm and very particularly preferably in a range from 20 nm to 150 nm.
  • the diffusion path of the chemical compound is specifically extended.
  • the following formula applies to the electrical resistance.
  • the change in the diffusion path can also be used to control the electrical resistance of the ceramic membrane:
  • R (T) p (T) ⁇ L / AR (T) denotes the electrical resistance (hereinafter referred to as "resistance") of the ceramic material at a certain temperature T, p (T) is the specific resistance of the ceramic material ( a material constant), L is the length of the diffusion path through the ceramic membrane, and A is the cross-sectional area along the diffusion path, eg, the bonding area from the electrode to the ceramic membrane
  • a ceramic membrane according to the invention is a membrane in the chemical sense, and thus a ceramic material that allows and / or prevents the diffusion of specific chemical compounds.
  • the membrane is "gas-tight." This means that no gas can diffuse through the membrane, however, ions can diffuse through the membrane, such as hydrogen or oxygen ions, oxygen ions are preferred, and the membrane spatially separates two gas spaces (eg, exhaust gas from reference air). ,
  • a chemical compound is understood to mean a specific chemical compound, a chemical element, a group of chemical compounds and derivatives of the abovementioned chemical compounds.
  • chemical elements or Compounds may, by way of example only, be oxygen ions (O 2 ), protons (H + ) or hydroxide ions (OH).
  • the ceramic membrane and the insulating layer (s) are formed as thin films.
  • the diffusion path of the chemical compound to be diffused or transported through the membrane electrode assembly is prolonged and can be increased by a specific one
  • Geometry adjustment of the insulation layer (s) can be adjusted. This allows, as already explained, a control of the diffusion path and thus an adaptation of the resistance of the ceramic membrane.
  • Thin-film technology which leads to significantly thinner layer thicknesses than when using thick-film technology, supports this effect.
  • the thin-film technology for example, the application
  • the resistance of the ceramic membrane is anisotropic.
  • Membrane electrode assembly may also be smaller in size be prepared, which favors their application in space-reduced devices and allows different mounting positions. It also reduces their susceptibility to condensation water.
  • Insulation layer (s) completely covers the first electrode and / or the second electrode in the layer thickness direction of the membrane electrode assembly.
  • the insulating layer is formed as a single layer with a formed in the electrode surface to be covered geometric shape, but that in total all the insulating layers are arranged so that a direct diffusion path is prevented from the first electrode to the second electrode. This can be carried out both by geometric adaptation of the insulating layer or the insulating layers, as well as by a corresponding spatial arrangement of the insulating layer or the insulating layers. In these cases, the
  • a plurality of insulating layers may be provided along the layer thickness direction, which are transverse to
  • Layer thickness direction are offset from each other and thereby overlap considered in or along the layer thickness direction.
  • a layer thickness of the ceramic membrane and / or the insulating layer in the layer thickness direction up to 5 ⁇ is understood to mean the average layer thickness.
  • Layer thicknesses up to 5 ⁇ are considered as thin layers, which improve the advantageous properties of the membrane electrode assembly according to the invention and in particular the controllability of the diffusion path. The thinner the thin layers are formed, the faster can be due to the lower thermal mass, a heating at the same time with low heating.
  • the ceramic membrane may advantageously comprise a plurality of individual membranes, which in a plane perpendicular to Layer thickness direction are arranged.
  • it may be a membrane system, in which a plurality of comparatively small individual membranes each rest on lateral support surfaces on an example, honeycomb-shaped support structure or are arranged. The membrane then results as the sum of the individual membranes.
  • the honeycomb-shaped support structure can be a
  • polygonal cross-section (triangle, quadrangle, pentagon, hexagon, etc.) and / or have an elliptical or circular cross section in the individual honeycomb cells. Accordingly, the individual membranes have a similar shape.
  • the surface of a ceramic single membrane is preferably adjusted so that it is up to a maximum of 3000 ⁇ 2 and preferably up to a maximum of 1 500 ⁇ 2 .
  • the ceramic material of the ceramic membrane is not limited in detail.
  • a further advantageous embodiment provides that the insulating layer is arranged on and / or in the ceramic membrane. While an arrangement of the insulating layer (s) on the ceramic membrane, e.g. at their
  • the insulating layer advantageously contains at least one oxide or nitride, wherein the oxide or nitride
  • the insulating layer in particular is selected from: SiN x , Si0 2 and Al 2 0 3 .
  • the insulating layer may comprise metal. It is crucial that the insulating layer is impermeable to be diffused chemical compounds and increases the diffusion path of the chemical compounds.
  • Electrode and the ceramic membrane an intermediate layer is disposed, which contains at least one catalytically active electrode material and the material of the ceramic membrane. Due to the design that the
  • Interlayer contains the same ceramic material as the ceramic membrane, the compatibility and possibly also the adhesion between the ceramic membrane and the ceramic membrane.
  • Electrode has both an insulating layer and an intermediate layer, the insulating layer between the ceramic membrane and the
  • the intermediate layer arranged.
  • the intermediate layer covers the
  • Electrode surface preferably completely.
  • the intermediate layer contains platinum as a catalytically active electrode material and yttrium-stabilized zirconium oxide or
  • the membrane electrode assembly comprises a carrier which is connected to the first electrode, the second electrode and the
  • Membrane electrode assembly also has an intermediate layer and an insulating layer disposed on the ceramic membrane, the intermediate layer and the insulating layer are advantageously connected to the carrier.
  • the carrier is preferably formed of an electrically insulating material, for example of silicon nitride, SiN x .
  • silicon nitride positively influences the mechanical stresses on the individual layers of the membrane electrode assembly and optimizes the thermal properties, such as the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity, because it can act as a buffer between neighboring membranes and / or between the membrane and the electrode. through the different thermal properties
  • a fuel cell which comprises the above-described membrane electrode assembly.
  • the membrane electrode assembly according to the invention finds
  • Membrane electrode assembly comprises. It will be a so-called
  • Micro exhaust probe obtained which is formed in thin-film technology. If the exhaust gas probe is designed, for example, as a lambda probe, it detects an oxygen component in the exhaust gas of a motor vehicle via a so-called
  • the Nernst cell according to the invention by the first electrode, the second electrode and the interposed ceramic membrane educated.
  • the resistance of the ceramic membrane is an essential parameter for determining the temperature of the Nernst cell.
  • the oxygen detection in the exhaust gas requires an operating temperature of
  • Nernst cell in the range of 300 ° C to 800 ° C to allow oxygen ion conduction or diffusion through the ceramic membrane. Tolerances and dependencies in the resulting Nernst voltage can best be minimized by precise control of the operating temperature. The simplest and most accurate method for this is the measurement of the temporal temperature profile of the Nernst cell via the temperature-dependent resistance of the ceramic
  • the resistance of the ceramic membrane is connected in series with an internal resistance of the first electrode and the second electrode. In order to isolate the resistance of the ceramic membrane from the superimposition of these resistors, it is necessary to dimension the resistance of the ceramic membrane higher than the internal resistance of the ceramic membrane
  • the resistance of the ceramic is not of the order of magnitude required in order to be able to generate a reliable measurement signal (see above formula with very low diffusion path L). The increase of the resistance of the ceramic membrane thus takes place by arranging the thin ones
  • Insulation layer (s) on or in the membrane By arranging the
  • Insulation layer (s) the diffusion path of the oxygen ions is extended from the first electrode through the ceramic membrane to the second electrode, whereby the resistance of the ceramic membrane is increased.
  • an electrochemical device which comprises the membrane electrode assembly according to the invention. Electrochemical components within the meaning of the invention are exemplified by a microchip.
  • the invention also describes a method for producing a membrane electrode assembly.
  • the membrane electrode assembly includes a first electrode, a second electrode, and a ceramic membrane disposed between the first and second electrodes.
  • the ceramic membrane comprises at least one insulating layer suitable for one
  • a chemical compound is a specific chemical compound, a chemical compound
  • Element a group of chemical compounds and derivatives of the above-named chemical compounds understood.
  • Such chemical elements or compounds may, by way of example only, be oxygen ions (O 2 ), protons (H + ), or hydroxide ions (OH).
  • the method comprises a step of producing the ceramic membrane and the insulating layer by means of thin-film technology.
  • the insulating layer is arranged in such a way that it extends a diffusion path from the first electrode via the ceramic membrane to the second electrode.
  • the method is simple, using standard processes with high timing and thus cost feasible and allows the production of a space-reduced membrane electrode assembly with good controllability of the diffusion path and thus the resistance of the ceramic membrane. As a result, the temperature of the membrane electrode assembly can be controlled precisely during operation, which results in a constant operating temperature in the
  • Membrane electrode arrangement is made possible.
  • the advantages, advantageous effects and developments described above for the membrane electrode assembly according to the invention are also applicable to the fuel cell according to the invention, the exhaust gas probe according to the invention, the electrochemical component according to the invention and the method according to the invention for producing a
  • the method comprises a step of arranging an intermediate layer between the first electrode and the ceramic membrane and / or between the second electrode and the ceramic membrane, wherein the intermediate layer contains at least one catalytically active electrode material and the material of the ceramic membrane.
  • the intermediate layer increases the catalytic active area.
  • the method further comprises that at least one of the following components, preferably all components, are manufactured by thin-film technology: first electrode, second electrode, intermediate layer.
  • Thin films can be obtained particularly precisely using at least one of the following thin-film technology methods: chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), plasma-enhanced physical vapor deposition (PECVD), sputtering, electron beam evaporation, furnace diffusion, layer deposition by means of laser pulses and atomic layer deposition.
  • CVD chemical vapor deposition
  • PVD physical vapor deposition
  • PECVD plasma-enhanced physical vapor deposition
  • sputtering electron beam evaporation
  • furnace diffusion layer deposition by means of laser pulses and atomic layer deposition.
  • FIG. 1 is a sectional view of a membrane electrode assembly according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a sectional view of a membrane electrode assembly according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is a sectional view of a membrane electrode assembly according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 4 is a sectional view of a membrane electrode assembly according to a fourth embodiment of the invention.
  • Figure 1 shows a membrane electrode assembly 1 according to a first
  • the membrane electrode assembly 1 includes a first electrode 2, a second electrode 3, and a ceramic membrane 4 disposed between the first electrode 2 and the second electrode 3.
  • Electrode 2 the ceramic membrane 4 and the second electrode 3 in
  • the ceramic membrane 4 is e.g. formed from YSZ and includes one
  • the insulation layer 5 is for one through the
  • Membrane electrode assembly 1 to be diffused or generally transported, chemical compound impermeable.
  • the material for the insulating layer is chosen as a function of the chemical compound to be transported and is exemplified Si0 2 , Al 2 0 3 or SiN x .
  • the insulating layer 5 is integrated in the ceramic membrane 4, wherein the insulating layer 5 in a recess in the ceramic membrane 4th is arranged.
  • the surfaces of the insulating layer 5 and the ceramic membrane 4 are flush with each other.
  • the insulating layer 5 is arranged to partially cover the first electrode 2 and the second electrode 3 in the layer thickness direction X of FIG
  • Membrane electrode assembly 1 covered. That is, in a projection along the layer thickness direction X, the projected area of the insulating layer 5 at least partially overlaps with the projected area of the first electrode 2 and the second electrode 3. If a chemical compound, for example an ionic compound, such as oxygen ions, is transported from the first electrode 2 through the ceramic membrane 4 to the second electrode 3, then a part of the chemical compound has due to
  • Insulation layer 5 an elongated diffusion path D.
  • This part of the chemical compound has to, in order to get from the first electrode 2 to the second electrode 3, a path around the chemical compound impermeable insulation layer 5 around.
  • the diffusion path D and thus the (electrical) resistance of the ceramic membrane 4 can be controlled, i. specifically extended or enlarged.
  • the first electrode 2, the second electrode 3, the ceramic membrane 4 and the insulating layer 5 are formed as thin films.
  • Their layer thickness S is preferably up to 5 ⁇ . This allows the
  • Membrane electrode assembly 1 are formed with high functionality with reduced space.
  • the ceramic membrane 4 can also consist of several individual membranes, which are arranged in a plane perpendicular to the layer thickness direction X (not shown here).
  • the membrane electrode assembly 1 can be designed in particular as a Nernst cell for an exhaust gas probe, such as a lambda probe.
  • the Nernst cell is formed by the first electrode 2, the second electrode 3 and the ceramic membrane 4 with the insulating layer 5.
  • the electrodes 2, 3 are advantageously platinum electrodes. Due to the design of the membrane electrode assembly 1 in
  • the resistance of the ceramic membrane 4 is lowered compared to the prior art.
  • ceramic membrane 4 is essential for the determination of
  • Membrane 4 significantly increased by arranging the insulation layer 5.
  • the resistance of the ceramic membrane 4 is thus determined by the geometric configuration and arrangement of the insulating layer 5 and thus
  • Thin-film technology allows very small tolerances in the layer thicknesses of the individual layers. Due to the low process tolerances, the resistance is constant over several sensors of the same batch.
  • Membrane electrode assembly 1 can thus be made with high precision, small-sized and low thermal mass.
  • Figure 2 shows a second embodiment of a
  • Membrane electrode assembly 1 Unlike the
  • Membrane electrode assembly 1 of Figure 1 two insulation layers 5 are integrated into the ceramic membrane.
  • the insulating layers 5 are thus arranged in the ceramic membrane 4. This cover the
  • Insulation layers 5 in the layer thickness direction X a larger portion of the first electrode 2 and the second electrode 3.
  • the diffusion path D is increased, whereby the resistance of the ceramic membrane 4 is also increased.
  • the mechanical stability of the ceramic membrane 4 is also improved.
  • FIG. 3 shows a third embodiment of the invention
  • the membrane electrode assembly 10 has two insulation layers 5, of which an insulation layer integrated into the ceramic membrane 4 and an insulation layer disposed on the surface of the ceramic membrane 4 and is not integrated into the ceramic membrane 4. Also by this geometric arrangement of the insulating layers 5, the diffusion path can be extended and thus the resistance of the ceramic membrane 4 can be increased.
  • the membrane electrode assembly 10 is different from the
  • Membrane electrode assembly 1 also by the arrangement of two
  • a first intermediate layer 6 is disposed between the first electrode 2 and the ceramic membrane 4 and a second intermediate layer 7 is disposed between the second electrode 3 and the ceramic membrane 4 (viewed in the layer thickness direction X, respectively).
  • the intermediate layers 6, 7 contain at least one catalytically active
  • An exemplary composition of an intermediate layer is platinum and YSZ.
  • the intermediate layers 6, 7 may be formed as porous layers and increase the catalytically active area or surface of the electrodes 2, 3.
  • FIG. 4 shows a fourth embodiment of the invention
  • Membrane electrode assembly 100 In addition to a first electrode 2, a second electrode 3, a ceramic membrane 4, a plurality of integrated in the ceramic membrane 4 insulating layers 5 and intermediate layers 6, 7, the membrane electrode assembly 100 also has a carrier 8 as a further component.
  • the carrier 8 is preferably formed of silicon nitride and acts as a skeleton for the arranged components.
  • the carrier material and in particular silicon nitride influences on the one hand the mechanical stresses on the components contained and on the other hand the thermal Properties, such as the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity of the membrane electrode assembly 100.
  • the carrier material acts as a kind of buffer to relax thermally induced stresses.
  • the first electrode 2 and the second electrode 3 are completely covered in the layer thickness direction X of the membrane electrode arrangement.
  • Layer thickness direction X overlap or overlap the projected areas of the insulating layers 5 completely the projected areas of the two
  • Electrodes 2, 3. A direct diffusion path D from the first electrode 2 to the second electrode 3 does not exist. The diffusion path D is significantly extended. This significantly increases the resistance of the ceramic membrane 4.

Abstract

The present invention relates to a membrane electrode arrangement comprising a first electrode (2), a second electrode (3) and a ceramic membrane (4) arranged between the first and the second electrodes (2, 3). The ceramic membrane (4) comprises at least one insulation layer (5) which covers the first electrode (2) and the second electrode (3) at least partly in the layer thickness direction (X) of the membrane electrode arrangement (1, 10, 100). The insulation layer (5) is furthermore impermeable to a chemical compound to be diffused. The ceramic membrane (4) and the insulation layer (5) are embodied as thin-film layers.

Description

Beschreibung  description
Titel title
Membranelektrodenanordnunq und Verfahren zu ihrer Herstellung, Membrane electrode assembly and method of making the same,
Brennstoffzelle, Abqassonde und elektrochemisches Bauelement Fuel cell, exhaust probe and electrochemical device
Stand der Technik Die vorliegende Erfindung betrifft eine bauraumoptimierte PRIOR ART The present invention relates to a construction space-optimized
Membranelektrodenanordnung und ein kostengünstiges und einfach  Membrane electrode assembly and a cost effective and easy
umsetzbares Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Brennstoffzelle, eine Abgassonde sowie ein elektrochemisches Bauelement. implementable method for producing a membrane electrode assembly. Moreover, the present invention also relates to a fuel cell, an exhaust gas probe and an electrochemical device.
Membranelektrodenanordnungen sind mehrschichtige Anordnungen für elektrochemische Vorrichtungen oder Bauelemente, bei denen in der Regel zwei katalytisch aktive Elektrodenschichten eine Membran beschichten, so dass die Membran zwischen den Elektrodenschichten angeordnet ist. Das Beschichten der Membran erfolgt beispielsweise mittels Siebdruck, wobei die Membrane electrode assemblies are multilayer assemblies for electrochemical devices or devices in which typically two catalytically active electrode layers coat a membrane so that the membrane is disposed between the electrode layers. The coating of the membrane takes place for example by means of screen printing, wherein the
Elektrodenschichten mit einer Schichtdicke von mehreren 100 μηι gebildet werden. Die Membran ist zumindest in eine Richtung, d.h. von einer Elektrode zur anderen Elektrode, für eine bestimmte chemische Verbindung oder eine Gruppe von chemischen Verbindungen sowie deren Derivate durchlässig. In Brennstoffzellen oder Lambdasonden ist die Membran üblicherweise für  Electrode layers are formed with a layer thickness of several 100 μηι. The membrane is at least in one direction, i. from one electrode to another electrode, permeable to a particular chemical compound or a group of chemical compounds and their derivatives. In fuel cells or lambda probes, the membrane is usually for
Sauerstoffionen durchlässig. Aus Gründen der Steuerung der elektrochemischen Vorrichtungen oder Bauelemente ist es wünschenswert, den elektrischen Widerstand der Membran zu beeinflussen. Zudem wären Vorrichtungen oder Bauelemente in kleinbauender Geometrie vorteilhaft. Derartige Membranelektrodenanordnungen sind z.B. bekannt aus dem Oxygen ions permeable. For reasons of controlling the electrochemical devices or devices, it is desirable to affect the electrical resistance of the membrane. In addition, devices or components in small-sized geometry would be advantageous. Such membrane electrode assemblies are known, for example from the
Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer, VIEWEG, Wiesbaden, 2014, Seiten 1338-1347. Automotive Handbook, Springer, VIEWEG, Wiesbaden, 2014, pages 1338-1347.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die erfindungsgemäße Membranelektrodenanordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 zeichnet sich durch eine gute Steuerbarkeit des elektrischen Keramikwiderstandes bzw. eines Diffusionswiderstandes im Material der The membrane electrode assembly according to the invention with the features of claim 1 is characterized by a good controllability of the electrical ceramic resistance or a diffusion resistance in the material of
Membranelektrodenanordnung aus. Hierbei kann es sich beim Widerstand um einen elektrischen Widerstand bezüglich der Leitung von Elektronen oder insbesondere auch um einen Widerstand gegenüber ionischer Leitung handeln. Die Membranelektrodenanordnung ist bauraumtechnisch kleinbauend und hat aufgrund der dadurch reduzierten thermischen Masse eine schnelle Aufheizrate, was eine Anwendung bei hohen Temperaturen beschleunigt. Membrane electrode assembly off. In this case, the resistance may be an electrical resistance with regard to the conduction of electrons or, in particular, a resistance to ionic conduction. The membrane electrode assembly is space-saving and has a fast heating rate due to the resulting reduced thermal mass, which accelerates an application at high temperatures.
Die Einstellung bzw. Steuerung des keramischen Widerstandes bzw. des Keramikwiderstandes wird dadurch erreicht, dass die erfindungsgemäße The adjustment or control of the ceramic resistance or the ceramic resistance is achieved in that the inventive
Membranelektrodenanordnung eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnete keramische Membran umfasst, und die keramische Membran mindestens eine Membrane electrode assembly comprises a first electrode, a second electrode and a disposed between the first and the second electrode ceramic membrane, and the ceramic membrane at least one
Isolationsschicht umfasst, die die erste Elektrode und die zweite Elektrode zumindest teilweise in Schichtdickenrichtung der Membranelektrodenanordnung überdeckt, und die für eine durch die Membranelektrodenanordnung zu diffundierende chemische Verbindung bzw. für Ionen (z.B. Sauerstoffionen) undurchlässig ist. Das bedeutet, dass in einer Projektion entlang der An insulating layer covering the first electrode and the second electrode at least partially in the layer thickness direction of the membrane electrode assembly, which is impermeable to a chemical compound to be diffused by the membrane electrode assembly or ions (e.g., oxygen ions). This means that in a projection along the
Schichtdickenrichtung die projizierte Fläche der Isolationsschicht zumindest teilweise die projizierte Fläche der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode überlappt. Dabei kann die Überdeckung/Überlappung beispielsweise wenigstens 5 %, bevorzugt wenigstens 10 %, besonders bevorzugt wenigstens 30% und ganz besonders bevorzugt wenigstens 70 % betragen. Layer thickness direction, the projected area of the insulating layer at least partially overlaps the projected area of the first electrode and the second electrode. The coverage / overlap may be, for example, at least 5%, preferably at least 10%, more preferably at least 30%, and most preferably at least 70%.
Unter mindestens einer Isolationsschicht können dabei genau eine Under at least one insulation layer can exactly one
Isolationsschicht, oder eine Mehrzahl von Isolationsschichten, oder alle Insulating layer, or a plurality of insulating layers, or all
Isolationsschichten gemeint sein. Insulation layers meant.
Unter einer Isolationsschicht wird im Sinne der Erfindung entweder eine filmartige Schicht oder eine partikuläre Schicht verstanden. Unter einer partikulären Schicht wird z.B. eine im Volumen der Membran feinverteilte Anhäufung von isolierend wirkenden Partikeln verstanden. Derartige isolierend wirkende Partikel, welche für die zu diffundierenden chemischen Verbindungen bzw. für Ionen (z.B. für Sauerstoffionen) undurchlässig sind, können beispielsweise Aluminiumoxid (Al203), Siliziumnitrid (SiNx) oder Siliziumoxid (Si02) enthalten. Die Körnung derartiger Partikel kann beispielsweise in einem Bereich von 10 nm bis 2 μηι, bevorzugt in einem Bereich von 20 nm bis 500 nm und ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 20 nm bis 150 nm liegen. In the context of the invention, an insulation layer is understood as meaning either a film-like layer or a particulate layer. By a particulate layer is meant, for example, a finely divided accumulation of insulating particles in the volume of the membrane. Such insulating particles, which for the chemical compounds to be diffused or for ions (eg for Oxygen ions) are impermeable, for example, alumina (Al 2 0 3 ), silicon nitride (SiN x ) or silicon oxide (Si0 2 ) included. The grain size of such particles can be, for example, in a range from 10 nm to 2 μm, preferably in a range from 20 nm to 500 nm and very particularly preferably in a range from 20 nm to 150 nm.
Durch das Vorsehen der Isolationsschicht(en) wird der Diffusionsweg der chemischen Verbindung gezielt verlängert. In erster Näherung gilt nachfolgende Formel für den elektrischen Widerstand. Wie die Formel zeigt, kann durch die Veränderung des Diffusionsweges auch der elektrische Widerstand der keramischen Membran gesteuert werden: By providing the insulation layer (s), the diffusion path of the chemical compound is specifically extended. As a first approximation, the following formula applies to the electrical resistance. As the formula shows, the change in the diffusion path can also be used to control the electrical resistance of the ceramic membrane:
R(T) = p(T)■ L/A R(T) bezeichnet den elektrischen Widerstand (im Folgenden kurz„Widerstand" genannt) des keramischen Materials bei einer bestimmten Temperatur T, p(T) ist der spezifische Widerstand des keramischen Materials (eine Materialkonstante), L ist die Länge des Diffusionsweges durch die keramische Membran und A ist die Querschnittsfläche entlang des Diffusionswegs, z.B. die Verbindungsfläche von der Elektrode zur keramischen Membran. Je größer demnach der DiffusionswegR (T) = p (T) ■ L / AR (T) denotes the electrical resistance (hereinafter referred to as "resistance") of the ceramic material at a certain temperature T, p (T) is the specific resistance of the ceramic material ( a material constant), L is the length of the diffusion path through the ceramic membrane, and A is the cross-sectional area along the diffusion path, eg, the bonding area from the electrode to the ceramic membrane
L ist, desto größer ist auch der Widerstand R(T) der keramischen Membran. Weiterhin gilt: je kleiner die effektive Querschnittsfläche, desto größer der Widerstand. L is, the greater the resistance R (T) of the ceramic membrane. Furthermore, the smaller the effective cross-sectional area, the greater the resistance.
Eine keramische Membran ist erfindungsgemäß eine Membran im chemischen Sinne, und somit ein keramisches Material, das die Diffusion spezifischer chemischer Verbindungen erlaubt und/oder unterbindet. Die Membran ist „gasdicht". Das bedeutet, dass kein Gas durch die Membran diffundieren kann. Allerdings können Ionen durch die Membran diffundieren, wie z.B. Wasserstoffoder Sauerstoffionen. Dabei sind Sauerstoffionen bevorzugt. Ferner trennt die Membran räumlich zwei Gasräume (z.B. Abgas von Referenzluft). A ceramic membrane according to the invention is a membrane in the chemical sense, and thus a ceramic material that allows and / or prevents the diffusion of specific chemical compounds. The membrane is "gas-tight." This means that no gas can diffuse through the membrane, however, ions can diffuse through the membrane, such as hydrogen or oxygen ions, oxygen ions are preferred, and the membrane spatially separates two gas spaces (eg, exhaust gas from reference air). ,
Unter einer chemischen Verbindung wird dabei im Sinne der Erfindung eine spezifische chemische Verbindung, eine chemisches Element, eine Gruppe von chemischen Verbindungen und Derivate der vorstehend benannten chemischen Verbindungen verstanden. Bei derartigen chemischen Elementen oder Verbindungen kann es sich, lediglich beispielhaft, um Sauerstoffionen (O2 ), Protonen (H+) oder Hydroxidionen (OH ) handeln. For the purposes of the invention, a chemical compound is understood to mean a specific chemical compound, a chemical element, a group of chemical compounds and derivatives of the abovementioned chemical compounds. In such chemical elements or Compounds may, by way of example only, be oxygen ions (O 2 ), protons (H + ) or hydroxide ions (OH).
Die keramische Membran und die Isolationsschicht(en) sind als Dünnschichten ausgebildet. Durch die Ausbildung und Anordnung der Isolationsschicht(en) so dass sie die erste Elektrode und die zweite Elektrode zumindest teilweise in Schichtdickenrichtung überdeckt/überdecken, wird der Diffusionsweg der durch die Membranelektrodenanordnung zu diffundierenden oder zu transportierenden chemischen Verbindung verlängert und kann durch eine spezifische The ceramic membrane and the insulating layer (s) are formed as thin films. By forming and disposing the insulating layer (s) so as to cover / cover the first electrode and the second electrode at least partially in the layer thickness direction, the diffusion path of the chemical compound to be diffused or transported through the membrane electrode assembly is prolonged and can be increased by a specific one
Geometrieanpassung der Isolationsschicht(en) eingestellt werden. Dies ermöglicht, wie bereits dargelegt, eine Steuerung des Diffusionsweges und damit eine Anpassung des Widerstandes der keramischen Membran. Geometry adjustment of the insulation layer (s) can be adjusted. This allows, as already explained, a control of the diffusion path and thus an adaptation of the resistance of the ceramic membrane.
Die Ausprägung der keramischen Membran und der Isolationsschicht als The expression of the ceramic membrane and the insulation layer as
Dünnschichten, d.h. durch Herstellung dieser Schichten unter Anwendung vonThin films, i. by making these layers using
Dünnschichttechnologie, was zu deutlich dünneren Schichtdicken als bei Verwendung von Dickschichttechnologie führt, unterstützt diesen Effekt. Dabei kann die Dünnschichttechnologie beispielsweise die Anwendung Thin-film technology, which leads to significantly thinner layer thicknesses than when using thick-film technology, supports this effect. In this case, the thin-film technology, for example, the application
photolithografischer Verfahren und Herstellungsprozesse aus der photolithographic process and manufacturing processes from the
mikromechanischen Halbleiterherstellung mit Strukturgrößen im Bereich wenigerMicromechanical semiconductor production with feature sizes in the range less
Mikrometer oder sogar im Submikrometerbereich beinhalten. Micrometer or even sub-micron range.
Herstellungsbedingt kann es dabei vorkommen, dass bei Ausgestaltung der keramischen Membran mittels Dünnschichttechnologie der Widerstand der keramischen Membran anisotrop ist. Hierbei kann z.B. der Widerstand beimDue to the manufacturing process, it may happen that in the design of the ceramic membrane by means of thin-film technology, the resistance of the ceramic membrane is anisotropic. Here, e.g. the resistance at
Passieren entlang der Schichtdickenrichtung, also beim Durchtritt durch die Membran von einer Seite zur anderen, kleiner sein als entlang eines Passing along the layer thickness direction, so when passing through the membrane from one side to the other, be smaller than along a
Diffusionspfades in einer dazu senkrechten Richtung. Dies kann z. B. auf das Gefüge der Membran (Anordnung der Körner) zurückzuführen sein. Diffusion path in a direction perpendicular thereto. This can be z. B. due to the structure of the membrane (arrangement of the grains).
Beispielsweise kann also beim Diffundieren um eine Isolationsschicht herum derFor example, when diffusing around an insulating layer around
Widerstand größer sein als beim direkten Durchgang durch die Membran. Ferner kann ein gewünschtes Temperaturniveau bei Verwendung von Resistance to be greater than the direct passage through the membrane. Furthermore, a desired temperature level can be obtained using
Dünnschichtkeramiken aufgrund der geringeren thermischen Masse schneller erreicht werden, so dass Hochtemperaturanwendungen mit verkürzter Vorlaufzeit durchgeführt werden können. Dies spart auch Betriebskosten der As a result of the lower thermal mass, thin-film ceramics can be reached more quickly, so that high-temperature applications with shorter lead-time can be carried out. This also saves operating costs of
Membranelektrodenanordnung. Die erfindungsgemäße  Membrane electrode assembly. The inventive
Membranelektrodenanordnung kann ferner mit kleineren Abmessungen hergestellt werden, was ihre Anwendung in bauraumreduzierten Vorrichtungen begünstigt und unterschiedliche Einbaupositionen ermöglicht. Zudem reduziert sich damit auch ihre Anfälligkeit gegenüber Kondensationswasser. Membrane electrode assembly may also be smaller in size be prepared, which favors their application in space-reduced devices and allows different mounting positions. It also reduces their susceptibility to condensation water.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. The dependent claims show preferred developments of the invention.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen An advantageous development of the invention
Membranelektrodenanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane electrode assembly is characterized in that the
Isolationsschicht(en) die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode in Schichtdickenrichtung der Membranelektrodenanordnung vollständig überdeckt. Hierzu ist es nicht erforderlich, dass die Isolationsschicht als eine einzige Schicht mit einer in der abzudeckenden Elektrodenfläche ausgebildeten geometrischen Form ausgebildet ist, sondern dass in Summe alle Isolationsschichten so angeordnet sind, dass ein direkter Diffusionsweg von der ersten Elektrode zur zweiten Elektrode unterbunden wird. Dies kann sowohl durch geometrische Anpassung der Isolationsschicht bzw. der Isolationsschichten, als auch durch eine entsprechende räumliche Anordnung der Isolationsschicht bzw. der Isolationsschichten ausgeführt werden. In diesen Fällen werden der Insulation layer (s) completely covers the first electrode and / or the second electrode in the layer thickness direction of the membrane electrode assembly. For this purpose, it is not necessary that the insulating layer is formed as a single layer with a formed in the electrode surface to be covered geometric shape, but that in total all the insulating layers are arranged so that a direct diffusion path is prevented from the first electrode to the second electrode. This can be carried out both by geometric adaptation of the insulating layer or the insulating layers, as well as by a corresponding spatial arrangement of the insulating layer or the insulating layers. In these cases, the
Diffusionsweg und damit auch der Widerstand der keramischen Membran deutlich vergrößert. Beispielsweise kann eine Mehrzahl von Isolationsschichten entlang der Schichtdickenrichtung vorgesehen sein, die quer zur Diffusion path and thus the resistance of the ceramic membrane significantly increased. For example, a plurality of insulating layers may be provided along the layer thickness direction, which are transverse to
Schichtdickenrichtung gegeneinander versetzt sind und dadurch in bzw. entlang der Schichtdickenrichtung betrachtet überlappen. Layer thickness direction are offset from each other and thereby overlap considered in or along the layer thickness direction.
Weiter vorteilhaft beträgt eine Schichtdicke der keramischen Membran und/oder der Isolationsschicht in Schichtdickenrichtung bis zu 5 μηι. Unter dem Begriff Schichtdicke wird die durchschnittliche Schichtdicke verstanden. Schichtdicken bis zu 5 μηι werden als dünne Schichten angesehen, die die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Membranelektrodenanordnung und insbesondere die Steuerbarkeit des Diffusionsweges, verbessern. Je dünner die Dünnschichten ausgebildet sind, desto schneller kann, aufgrund der geringeren thermischen Masse, eine Aufheizung bei gleichzeitig geringer Aufheizleistung erfolgen. Further advantageous is a layer thickness of the ceramic membrane and / or the insulating layer in the layer thickness direction up to 5 μηι. The term layer thickness is understood to mean the average layer thickness. Layer thicknesses up to 5 μηι are considered as thin layers, which improve the advantageous properties of the membrane electrode assembly according to the invention and in particular the controllability of the diffusion path. The thinner the thin layers are formed, the faster can be due to the lower thermal mass, a heating at the same time with low heating.
Zur Vergrößerung der geometrischen Gestaltungsoptionen der To increase the geometric design options of
Membranelektrodenanordnung kann die keramische Membran vorteilhaft mehrere Einzelmembranen umfassen, die in einer Ebene senkrecht zur Schichtdickenrichtung angeordnet sind. Beispielsweise kann es sich dabei um ein Membransystem handeln, bei dem eine Vielzahl von vergleichsweise kleinen Einzelmembranen jeweils an seitlichen Auflageflächen auf einer beispielsweise wabenförmig ausgebildeten Trägerstruktur aufliegen bzw. angeordnet sind. Die Membran ergibt sich dann als die Summe der Einzelmembranen. Auf dieseMembrane electrode assembly, the ceramic membrane may advantageously comprise a plurality of individual membranes, which in a plane perpendicular to Layer thickness direction are arranged. For example, it may be a membrane system, in which a plurality of comparatively small individual membranes each rest on lateral support surfaces on an example, honeycomb-shaped support structure or are arranged. The membrane then results as the sum of the individual membranes. To this
Weise kann eine größere Membranfläche realisiert werden als dies mit einer einzigen großen (Einzel)membran möglich wäre. Durch die Ausgestaltung der Membran in Form einer Vielzahl von Einzelmembranen, können thermische Spannungen innerhalb der Einzelmembranen abgebaut werden, ohne dass es durch beispielsweise thermische Spannungen zu einer Beschädigung derWay, a larger membrane area can be realized than would be possible with a single large (single) membrane. Due to the configuration of the membrane in the form of a plurality of individual membranes, thermal stresses within the individual membranes can be reduced, without it being damaged by, for example, thermal stresses
Membran kommt. Die wabenförmige Trägerstruktur kann dabei einen Membrane is coming. The honeycomb-shaped support structure can be a
polygonalen Querschnitt (Dreieck, Viereck, Fünfeck, Sechseck, etc.) und/oder einen elliptischen oder kreisförmigen Querschnitt in den einzelnen Wabenzellen aufweisen. Dementsprechend weisen die Einzelmembranen eine ebensolche Form auf. polygonal cross-section (triangle, quadrangle, pentagon, hexagon, etc.) and / or have an elliptical or circular cross section in the individual honeycomb cells. Accordingly, the individual membranes have a similar shape.
Zur Verbesserung der Steuerbarkeit der Durchflussrate der chemischen To improve the controllability of the flow rate of the chemical
Verbindung durch die Membranelektrodenanordnung wird die Fläche einer keramischen Einzelmembran vorzugsweise so eingestellt, dass sie bis zu maximal 3000 μηι2 und vorzugsweise bis zu maximal 1 500 μηι2, beträgt. Connection through the membrane electrode assembly, the surface of a ceramic single membrane is preferably adjusted so that it is up to a maximum of 3000 μηι 2 and preferably up to a maximum of 1 500 μηι 2 .
Das keramische Material der keramischen Membran ist im Einzelnen nicht beschränkt. Aus Stabilitätsgründen und Gründen der sehr guten qualitativen Eigenschaften finden keramische Membranen aus Yttrium-stabilisiertem The ceramic material of the ceramic membrane is not limited in detail. For reasons of stability and reasons of very good qualitative properties, ceramic membranes of yttrium-stabilized
Zirkonoxid bzw. Zirkondioxid (YSZ) oder aus stabilisiertem Aluminiumoxid besonders bevorzugt Anwendung. Zirconium oxide or zirconium dioxide (YSZ) or stabilized aluminum oxide particularly preferred application.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Isolationsschicht an und/oder in der keramischen Membran angeordnet ist. Während eine Anordnung der Isolationsschicht(en) an der keramischen Membran, also z.B. an derenA further advantageous embodiment provides that the insulating layer is arranged on and / or in the ceramic membrane. While an arrangement of the insulating layer (s) on the ceramic membrane, e.g. at their
Oberfläche und somit ebenfalls zwischen der angrenzenden Elektrode und der keramischen Membran, hinsichtlich der vereinfachten Herstellung von Vorteil ist, erhöhen in der keramischen Membran angeordnete Isolationsschichten die mechanische Stabilität der keramischen Membran. Es kann ein Verbundsystem entstehen, das die Stabilität erhöht. Besonders vorteilhaft gilt dies für filmähnlich ausgeprägte, also abschnittsweise zusammenhängende, Isolationsschichten. Stabilitätsreduzierungen, die durch die Ausprägung der keramischen Membran als Dünnschicht eingetragen werden, können somit aufgewogen werden. Surface and thus also between the adjacent electrode and the ceramic membrane, in view of the simplified production of advantage, increase in the ceramic membrane arranged insulation layers increase the mechanical stability of the ceramic membrane. It can create a composite system that increases the stability. This is particularly advantageous for film-like pronounced, so in sections coherent, insulating layers. Stability reductions, which are registered by the expression of the ceramic membrane as a thin layer, can thus be counterbalanced.
Wie vorstehend beschrieben, ist die Isolationsschicht für die durch die As described above, the insulation layer for by the
keramische Membran zu diffundierende bzw. zu transportierende chemischeceramic membrane to be diffused or transported chemical
Verbindung bzw. für Ionen (z.B. Sauerstoffionen) undurchlässig. Dies kann z.B. durch Ausprägung der Isolationsschicht mit entsprechender Schichtdicke, vorteilhaft in einem Bereich von wenigen Nanometern, ausgeführt werden. Um eine möglichst geringe Schichtdicke bei maximaler Stabilität zu erzielen, und damit die Gesamtdimension der erfindungsgemäßen Or impermeable to ions (e.g., oxygen ions). This can e.g. by embossing the insulation layer with a corresponding layer thickness, advantageously in a range of a few nanometers, are executed. In order to achieve the lowest possible layer thickness with maximum stability, and thus the overall dimension of the invention
Membranelektrodenanordnung zu reduzieren, enthält die Isolationsschicht vorteilhaft mindestens ein Oxid oder Nitrid, wobei das Oxid oder Nitrid  To reduce membrane electrode assembly, the insulating layer advantageously contains at least one oxide or nitride, wherein the oxide or nitride
insbesondere ausgewählt ist aus: SiNx, Si02 und Al203. Alternativ oder zusätzlich kann die Isolationsschicht Metall umfassen. Entscheidend ist dabei, dass die Isolationsschicht undurchlässig für zu diffundierende chemische Verbindungen ist und den Diffusionsweg der chemischen Verbindungen erhöht. in particular is selected from: SiN x , Si0 2 and Al 2 0 3 . Alternatively or additionally, the insulating layer may comprise metal. It is crucial that the insulating layer is impermeable to be diffused chemical compounds and increases the diffusion path of the chemical compounds.
Zur Verbesserung der Funktion der Elektroden und zur Unterstützung ihrer katalytischen Aktivität ist vorteilhaft vorgesehen, dass zwischen der ersten Elektrode und der keramischen Membran und/oder zwischen der zweitenTo improve the function of the electrodes and to support their catalytic activity is advantageously provided that between the first electrode and the ceramic membrane and / or between the second
Elektrode und der keramischen Membran eine Zwischenschicht angeordnet ist, die mindestens ein katalytisch aktives Elektrodenmaterial und das Material der keramischen Membran enthält. Durch die Ausgestaltung, dass die Electrode and the ceramic membrane, an intermediate layer is disposed, which contains at least one catalytically active electrode material and the material of the ceramic membrane. Due to the design that the
Zwischenschicht dasselbe keramische Material wie die keramische Membran enthält, werden die Kompatibilität und ggf. auch die Adhäsion zwischen derInterlayer contains the same ceramic material as the ceramic membrane, the compatibility and possibly also the adhesion between the
Zwischenschicht und der keramischen Membran verbessert. In dem Fall, dass die Membranelektrodenanordnung auf derselben Seite der betrachteten Intermediate layer and the ceramic membrane improved. In the case that the membrane electrode assembly on the same side of the considered
Elektrode sowohl eine Isolationsschicht als auch eine Zwischenschicht aufweist, ist die Isolationsschicht zwischen der keramischen Membran und der Electrode has both an insulating layer and an intermediate layer, the insulating layer between the ceramic membrane and the
Zwischenschicht angeordnet. Die Zwischenschicht bedeckt die Intermediate layer arranged. The intermediate layer covers the
Elektrodenoberfläche vorzugsweise vollständig.  Electrode surface preferably completely.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung, die durch eine hohe katalytische Aktivität gekennzeichnet ist, enthält die Zwischenschicht Platin als katalytisch aktives Elektrodenmaterial und Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid bzw.According to a further advantageous embodiment, which is characterized by a high catalytic activity, the intermediate layer contains platinum as a catalytically active electrode material and yttrium-stabilized zirconium oxide or
Zirkondioxid (YSZ) als Material der keramischen Membran. Zur Verbesserung der Verbaubarkeit der erfindungsgemäßen Membranelektrodenanordnung sowie zur Erhöhung von deren Stabilität ist weiter vorteilhaft vorgesehen, dass die Membranelektrodenanordnung einen Träger aufweist, der mit der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode und der Zirconia (YSZ) as the material of the ceramic membrane. To improve the buildability of the membrane electrode assembly according to the invention and to increase its stability is further advantageous provided that the membrane electrode assembly comprises a carrier which is connected to the first electrode, the second electrode and the
keramischen Membran verbunden ist. In dem Falle, in dem die ceramic membrane is connected. In the case where the
Membranelektrodenanordnung zudem eine Zwischenschicht und eine an der keramischen Membran angeordnete Isolationsschicht aufweist, sind auch die Zwischenschicht und die Isolationsschicht vorteilhafterweise mit dem Träger verbunden. Im Hinblick auf eine Anwendung der erfindungsgemäßen  Membrane electrode assembly also has an intermediate layer and an insulating layer disposed on the ceramic membrane, the intermediate layer and the insulating layer are advantageously connected to the carrier. With regard to an application of the invention
Membranelektrodenanordnung in elektrochemischen Bauteilen ist der Träger vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet, beispielsweise aus Siliziumnitrid, SiNx. Das Siliziumnitrid beeinflusst dabei die mechanischen Spannungen auf die einzelnen Schichten der Membranelektrodenanordnung positiv und optimiert die thermischen Eigenschaften, wie den thermischen Ausdehnungskoeffizient und die Wärmeleitfähigkeit, denn es kann, angeordnet zwischen benachbarten Membranen und/oder zwischen Membran und Elektrode, als eine Art Puffer wirken, durch den unterschiedliche thermische Membrane electrode assembly in electrochemical components, the carrier is preferably formed of an electrically insulating material, for example of silicon nitride, SiN x . The silicon nitride positively influences the mechanical stresses on the individual layers of the membrane electrode assembly and optimizes the thermal properties, such as the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity, because it can act as a buffer between neighboring membranes and / or between the membrane and the electrode. through the different thermal
Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Strukturelemente ausgeglichen werden können, wodurch sich der thermische Stress im Gesamtsystem vorteilhaft reduzieren lässt. Expansion coefficients of the structural elements involved can be compensated, whereby the thermal stress in the overall system can be advantageously reduced.
Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch eine Brennstoffzelle beschrieben, die die vorstehend beschriebene Membranelektrodenanordnung umfasst. Die Also according to the invention, a fuel cell is described, which comprises the above-described membrane electrode assembly. The
Brennstoffzelle zeichnet sich bei hoher Leistung durch einen reduzierten Fuel cell is characterized by a reduced power at high power
Bauraum und darüber hinaus durch gezielt einstellbare Strömungs- bzw. Space and beyond by specifically adjustable flow or
Diffusionswege durch die keramische Membran aus.  Diffusion paths through the ceramic membrane.
Vorteilhaft findet die erfindungsgemäße Membranelektrodenanordnung Advantageously, the membrane electrode assembly according to the invention finds
Anwendung in Abgassonden. Ferner erfindungsgemäß wird somit auch eine Abgassonde beschrieben, die die vorstehend offenbarte Application in exhaust probes. Furthermore, according to the invention, therefore, an exhaust gas probe is also described, which disclosed above
Membranelektrodenanordnung umfasst. Es wird eine sogenannte  Membrane electrode assembly comprises. It will be a so-called
Mikroabgassonde erhalten, die in Dünnschichttechnologie ausgebildet ist. Ist die Abgassonde beispielsweise als Lambdasonde ausgebildet, detektiert sie einen Sauerstoffanteil im Abgas eines Kraftfahrzeugs über eine so genannte Micro exhaust probe obtained, which is formed in thin-film technology. If the exhaust gas probe is designed, for example, as a lambda probe, it detects an oxygen component in the exhaust gas of a motor vehicle via a so-called
Nernstzelle. Die Nernstzelle wird erfindungsgemäß durch die erste Elektrode, die zweite Elektrode und die dazwischen angeordnete keramische Membran gebildet. Der Widerstand der keramischen Membran ist ein wesentlicher Parameter zur Bestimmung der Temperatur der Nernstzelle. Nernst. The Nernst cell according to the invention by the first electrode, the second electrode and the interposed ceramic membrane educated. The resistance of the ceramic membrane is an essential parameter for determining the temperature of the Nernst cell.
Die Sauerstoffdetektion im Abgas benötigt eine Betriebstemperatur der The oxygen detection in the exhaust gas requires an operating temperature of
Nernstzelle im Bereich von 300 °C bis 800 °C um eine Sauerstoffionenleitung bzw. Diffusion durch die keramische Membran zu ermöglichen. Toleranzen und Abhängigkeiten in der entstehenden Nernstspannung können am besten über eine genaue Regelung der Betriebstemperatur minimiert werden. Die einfachste und genaueste Methode dafür ist die Messung des zeitlichen Temperaturverlaufs der Nernstzelle über den temperaturabhängigen Widerstand der keramischenNernst cell in the range of 300 ° C to 800 ° C to allow oxygen ion conduction or diffusion through the ceramic membrane. Tolerances and dependencies in the resulting Nernst voltage can best be minimized by precise control of the operating temperature. The simplest and most accurate method for this is the measurement of the temporal temperature profile of the Nernst cell via the temperature-dependent resistance of the ceramic
Membran. Der Widerstand der keramischen Membran ist dabei in Serie geschaltet mit einem Innenwiderstand der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode. Um aus der Überlagerung dieser Widerstände den Widerstand der keramischen Membran zu isolieren, ist es notwendig den Widerstand der keramischen Membran höher zu dimensionieren als den Innenwiderstand derMembrane. The resistance of the ceramic membrane is connected in series with an internal resistance of the first electrode and the second electrode. In order to isolate the resistance of the ceramic membrane from the superimposition of these resistors, it is necessary to dimension the resistance of the ceramic membrane higher than the internal resistance of the ceramic membrane
Elektroden. Weil die keramische Membran als Dünnschicht ausgeführt ist, ist jedoch der Widerstand der Keramik nicht in der erforderlichen Größenordnung, um ein sicheres Messsignal generieren zu können (siehe oben stehende Formel mit sehr geringem Diffusionsweg L). Das Erhöhen des Widerstands der keramischen Membran erfolgt somit durch das Anordnen der dünnen Electrodes. Because the ceramic membrane is designed as a thin film, however, the resistance of the ceramic is not of the order of magnitude required in order to be able to generate a reliable measurement signal (see above formula with very low diffusion path L). The increase of the resistance of the ceramic membrane thus takes place by arranging the thin ones
Isolationsschicht(en) an oder in der Membran. Durch das Anordnen der  Insulation layer (s) on or in the membrane. By arranging the
Isolationsschicht(en) wird der Diffusionsweg der Sauerstoffionen von der ersten Elektrode durch die keramische Membran zur zweiten Elektrode verlängert, wodurch der Widerstand der keramischen Membran erhöht wird. Insulation layer (s), the diffusion path of the oxygen ions is extended from the first electrode through the ceramic membrane to the second electrode, whereby the resistance of the ceramic membrane is increased.
Erfindungsgemäß wird somit ein breiteres Prozessfenster, um den Widerstand der keramischen Membran zu erhöhen, erhalten. Es werden geringere Thus, according to the invention, a wider process window is obtained to increase the resistance of the ceramic membrane. There are fewer
Toleranzen im Widerstand der keramischen Membran bei der Herstellung erzeugt, da das Herstellungsverfahren, also die Anwendung von Produces tolerances in the resistance of the ceramic membrane during manufacture, since the manufacturing process, ie the application of
Dünnschichttechnologie, sehr geringe Toleranzen bedingt. Dies resultiert durch die Verwendung von z.B. photolithographischen Prozessen. Zudem wird durch das Anordnen der Isolationsschicht(en) die Stabilität der Lambdasonde und damit ihre Betriebsdauer erhöht. Durch geeignete geometrische Anpassung der keramischen Membran sowie der Isolationsschicht(en) ist der Widerstand der keramischen Membran in derselben Größenordnung einstellbar, wie es in herkömmlichen Abgassonden, in Dickschichttechnologie der Fall ist, so dass derzeit verwendete Steuerelektroniken auch für die erfindungsgemäße Abgassonde weiterverwendet werden können, woraus sich eine hohe Thin-film technology, very low tolerances due. This results from the use of eg photolithographic processes. In addition, the stability of the lambda probe and thus its service life is increased by arranging the insulation layer (s). By suitable geometric adaptation of the ceramic membrane and the insulating layer (s) of the resistance of the ceramic membrane in the same order of magnitude is adjustable, as is the case in conventional exhaust gas sensors, in thick-film technology, so that currently used control electronics for the inventive Exhaust probe can be used, resulting in a high
Marktakzeptanz ergibt. Market acceptance results.
Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch ein elektrochemisches Bauelement beschrieben, das die erfindungsgemäße Membranelektrodenanordnung umfasst. Unter elektrochemischen Bauelementen im Sinne der Erfindung wird beispielhaft ein Mikrochip genannt. Also according to the invention, an electrochemical device is described, which comprises the membrane electrode assembly according to the invention. Electrochemical components within the meaning of the invention are exemplified by a microchip.
Werden mehrere erfindungsgemäße Membranelektrodenanordnungen in einem Bauteil verwendet, ist es vorteilhaft, die Membranelektrodenanordnungen elektrisch parallel miteinander zu verbinden. If a plurality of membrane electrode assemblies according to the invention are used in one component, it is advantageous to electrically connect the membrane electrode assemblies to one another in parallel.
Darüber hinaus wird erfindungsgemäß auch ein Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung beschrieben. Die Membranelektrodenanordnung umfasst eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnete keramische Membran. Die keramische Membran umfasst mindestens eine Isolationsschicht, die für eine zu In addition, the invention also describes a method for producing a membrane electrode assembly. The membrane electrode assembly includes a first electrode, a second electrode, and a ceramic membrane disposed between the first and second electrodes. The ceramic membrane comprises at least one insulating layer suitable for one
diffundierende, d.h. eine durch die Membran zu transportierende, chemische Verbindung undurchlässig ist. Unter einer chemischen Verbindung wird im Sinne der Erfindung eine spezifische chemische Verbindung, eine chemisches diffusing, i. a chemical compound to be transported through the membrane is impermeable. In the context of the invention, a chemical compound is a specific chemical compound, a chemical compound
Element, eine Gruppe von chemischen Verbindungen und Derivate der vorstehend benannten chemischen Verbindungen verstanden. Bei derartigen chemischen Elementen oder Verbindungen kann es sich, lediglich beispielhaft, um Sauerstoffionen (O2 ), Protonen (H+)oder Hydroxidionen (OH ) handeln. Element, a group of chemical compounds and derivatives of the above-named chemical compounds understood. Such chemical elements or compounds may, by way of example only, be oxygen ions (O 2 ), protons (H + ), or hydroxide ions (OH).
Das Verfahren umfasst einen Schritt des Herstellens der keramischen Membran sowie der Isolationsschicht mittels Dünnschichttechnologie. Die Isolationsschicht wird dabei derart angeordnet, dass sie einen Diffusionsweg von der ersten Elektrode über die keramische Membran zur zweiten Elektrode verlängert. Das Verfahren ist einfach, unter Anwendung von Standardprozessen mit hoher Taktung und damit kostengünstig durchführbar und ermöglicht die Herstellung einer bauraumreduzierten Membranelektrodenanordnung mit guter Steuerbarkeit des Diffusionsweges und damit des Widerstandes der keramischen Membran. Dadurch lässt sich im Betrieb die Temperatur der Membranelektrodenanordnung genau regeln, wodurch eine konstante Betriebstemperatur in der The method comprises a step of producing the ceramic membrane and the insulating layer by means of thin-film technology. The insulating layer is arranged in such a way that it extends a diffusion path from the first electrode via the ceramic membrane to the second electrode. The method is simple, using standard processes with high timing and thus cost feasible and allows the production of a space-reduced membrane electrode assembly with good controllability of the diffusion path and thus the resistance of the ceramic membrane. As a result, the temperature of the membrane electrode assembly can be controlled precisely during operation, which results in a constant operating temperature in the
Membranelektrodenanordnung ermöglicht wird. Die vorstehend für die erfindungsgemäße Membranelektrodenanordnung beschriebenen Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf die erfindungsgemäße Brennstoffzelle, die erfindungsgemäße Abgassonde, das erfindungsgemäße elektrochemische Bauelement und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Membrane electrode arrangement is made possible. The advantages, advantageous effects and developments described above for the membrane electrode assembly according to the invention are also applicable to the fuel cell according to the invention, the exhaust gas probe according to the invention, the electrochemical component according to the invention and the method according to the invention for producing a
Membranelektrodenanordnung.  Membrane electrode assembly.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die keramische Membran und/oder die Isolationsschicht mit einer An advantageous development of the method according to the invention provides that the ceramic membrane and / or the insulating layer with a
Schichtdicke bis zu 5 μηι hergestellt wird, da dies ohne qualitative Einbußen mittels Dünnschichttechnologie sehr gut ausführbar ist. Layer thickness up to 5 μηι is produced, since this is very well executable without qualitative losses by thin-film technology.
Weiter vorteilhaft umfasst das Verfahren einen Schritt des Anordnens einer Zwischenschicht zwischen der ersten Elektrode und der keramischen Membran und/oder zwischen der zweiten Elektrode und der keramischen Membran, wobei die Zwischenschicht mindestens ein katalytisch aktives Elektrodenmaterial und das Material der keramischen Membran enthält. Durch die Zwischenschicht wird die katalytische aktive Fläche vergrößert. Im Hinblick auf eine weitere Bauraumreduzierung der herzustellenden Further advantageously, the method comprises a step of arranging an intermediate layer between the first electrode and the ceramic membrane and / or between the second electrode and the ceramic membrane, wherein the intermediate layer contains at least one catalytically active electrode material and the material of the ceramic membrane. The intermediate layer increases the catalytic active area. With regard to a further space reduction of the produced
Membranelektrodenanordnung und damit eine Reduzierung der thermischen Masse, umfasst das Verfahren weiter, dass mindestens eine der nachfolgenden Komponenten, vorzugsweise alle Komponenten, mittels Dünnschichttechnologie hergestellt werden: erste Elektrode, zweite Elektrode, Zwischenschicht.  Membrane electrode assembly and thus a reduction of the thermal mass, the method further comprises that at least one of the following components, preferably all components, are manufactured by thin-film technology: first electrode, second electrode, intermediate layer.
Besonders präzise können Dünnschichten unter Anwendung mindestens eines der folgenden Dünnschichttechnologieverfahren erhalten werden: chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), plasma-enhanced-physical- vapor-deposition (PECVD), Sputtern, Elektronenstrahlaufdampfen, Ofendiffusion, Schichtabscheidung mittels Laserpulsen und Atomschichtabscheidung. Thin films can be obtained particularly precisely using at least one of the following thin-film technology methods: chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), plasma-enhanced physical vapor deposition (PECVD), sputtering, electron beam evaporation, furnace diffusion, layer deposition by means of laser pulses and atomic layer deposition.
Kurze Beschreibung der Zeichnung Short description of the drawing
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist: Figur 1 eine Schnittansicht einer Membranelektrodenanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawing is: FIG. 1 is a sectional view of a membrane electrode assembly according to a first embodiment of the invention;
Figur 2 eine Schnittansicht einer Membranelektrodenanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, FIG. 2 is a sectional view of a membrane electrode assembly according to a second embodiment of the invention;
Figur 3 eine Schnittansicht einer Membranelektrodenanordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung und Figur 4 eine Schnittansicht einer Membranelektrodenanordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. 3 is a sectional view of a membrane electrode assembly according to a third embodiment of the invention; and FIG. 4 is a sectional view of a membrane electrode assembly according to a fourth embodiment of the invention.
Ausführungsformen der Erfindung Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. In den Figuren sind nur die wesentlichen Aspekte der Erfindung dargestellt. Alle übrigen Aspekte sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Ferner beziffern gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile. Im Detail zeigt Figur 1 eine Membranelektrodenanordnung 1 gemäß einer erstenEMBODIMENTS OF THE INVENTION The present invention will be explained in detail by means of exemplary embodiments. In the figures, only the essential aspects of the invention are shown. All other aspects are omitted for clarity. Further, like reference numerals indicate like components. In detail, Figure 1 shows a membrane electrode assembly 1 according to a first
Ausführungsform im Schnitt. Embodiment in section.
Die Membranelektrodenanordnung 1 umfasst eine erste Elektrode 2, eine zweite Elektrode 3 und eine zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 angeordnete keramische Membran 4. Mit anderen Worten sind die ersteThe membrane electrode assembly 1 includes a first electrode 2, a second electrode 3, and a ceramic membrane 4 disposed between the first electrode 2 and the second electrode 3. In other words, the first one
Elektrode 2, die keramische Membran 4 und die zweite Elektrode 3 in Electrode 2, the ceramic membrane 4 and the second electrode 3 in
Schichtdickenrichtung X übereinander angeordnet. Layer thickness direction X arranged one above the other.
Die keramische Membran 4 ist z.B. aus YSZ gebildet und umfasst eine The ceramic membrane 4 is e.g. formed from YSZ and includes one
Isolationsschicht 5. Die Isolationsschicht 5 ist für eine durch die Insulation layer 5. The insulation layer 5 is for one through the
Membranelektrodenanordnung 1 zu diffundierende bzw. allgemein zu transportierende, chemische Verbindung undurchlässig. Das Material für die Isolationsschicht wird in Abhängigkeit der zu transportierenden chemischen Verbindung gewählt und ist beispielhaft Si02, Al203 oder SiNx. Membrane electrode assembly 1 to be diffused or generally transported, chemical compound impermeable. The material for the insulating layer is chosen as a function of the chemical compound to be transported and is exemplified Si0 2 , Al 2 0 3 or SiN x .
Die Isolationsschicht 5 ist in die keramische Membran 4 integriert, wobei die Isolationsschicht 5 in einer Ausnehmung in der keramischen Membran 4 angeordnet ist. Die Oberflächen der Isolationsschicht 5 und der keramischen Membran 4 schließen bündig miteinander ab. The insulating layer 5 is integrated in the ceramic membrane 4, wherein the insulating layer 5 in a recess in the ceramic membrane 4th is arranged. The surfaces of the insulating layer 5 and the ceramic membrane 4 are flush with each other.
Darüber hinaus ist die Isolationsschicht 5 so angeordnet, dass sie die erste Elektrode 2 und die zweite Elektrode 3 teilweise in Schichtdickenrichtung X derMoreover, the insulating layer 5 is arranged to partially cover the first electrode 2 and the second electrode 3 in the layer thickness direction X of FIG
Membranelektrodenanordnung 1 überdeckt. Das bedeutet, dass in einer Projektion entlang der Schichtdickenrichtung X die projizierte Fläche der Isolationsschicht 5 zumindest teilweise mit der projizierten Fläche der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 überlappt. Wird nun eine chemische Verbindung, beispielsweise eine ionische Verbindung, wie Sauerstoffionen, von der ersten Elektrode 2 durch die keramische Membran 4 zur zweiten Elektrode 3 transportiert, so hat ein Teil der chemischen Verbindung aufgrund der Membrane electrode assembly 1 covered. That is, in a projection along the layer thickness direction X, the projected area of the insulating layer 5 at least partially overlaps with the projected area of the first electrode 2 and the second electrode 3. If a chemical compound, for example an ionic compound, such as oxygen ions, is transported from the first electrode 2 through the ceramic membrane 4 to the second electrode 3, then a part of the chemical compound has due to
Isolationsschicht 5 einen verlängerten Diffusionsweg D. Dieser Teil der chemischen Verbindung muss, um von der ersten Elektrode 2 zur zweiten Elektrode 3 zu gelangen, einen Weg um die für die chemische Verbindung undurchlässige Isolationsschicht 5 herum nehmen. Durch entsprechende Ausbildung und Anordnung der Isolationsschicht 5 kann der Diffusionsweg D und damit der (elektrische) Widerstand der keramischen Membran 4 gesteuert werden, d.h. gezielt verlängert bzw. vergrößert werden. Insulation layer 5 an elongated diffusion path D. This part of the chemical compound has to, in order to get from the first electrode 2 to the second electrode 3, a path around the chemical compound impermeable insulation layer 5 around. By appropriate design and arrangement of the insulating layer 5, the diffusion path D and thus the (electrical) resistance of the ceramic membrane 4 can be controlled, i. specifically extended or enlarged.
Die erste Elektrode 2, die zweite Elektrode 3, die keramische Membran 4 und die Isolationsschicht 5 sind als Dünnschichten ausgebildet. Ihre Schichtdicke S beträgt vorzugsweise bis zu 5 μηι. Hierdurch kann die The first electrode 2, the second electrode 3, the ceramic membrane 4 and the insulating layer 5 are formed as thin films. Their layer thickness S is preferably up to 5 μηι. This allows the
Membranelektrodenanordnung 1 bei hoher Funktionalität mit reduziertem Bauraum ausgebildet werden. Membrane electrode assembly 1 are formed with high functionality with reduced space.
Die keramische Membran 4 kann auch aus mehreren Einzelmembranen bestehen, die in einer Ebene senkrecht zur Schichtdickenrichtung X angeordnet sind (hier nicht dargestellt). The ceramic membrane 4 can also consist of several individual membranes, which are arranged in a plane perpendicular to the layer thickness direction X (not shown here).
Die Membranelektrodenanordnung 1 kann insbesondere als Nernstzelle für eine Abgassonde, wie z.B. eine Lambdasonde, ausgebildet sein. Die Nernstzelle wird durch die erste Elektrode 2, die zweite Elektrode 3 und die keramische Membran 4 mit der Isolationsschicht 5 gebildet. Die Elektroden 2, 3 sind hierbei vorteilhafterweise Platinelektroden. Aufgrund der Ausbildung der Membranelektrodenanordnung 1 in The membrane electrode assembly 1 can be designed in particular as a Nernst cell for an exhaust gas probe, such as a lambda probe. The Nernst cell is formed by the first electrode 2, the second electrode 3 and the ceramic membrane 4 with the insulating layer 5. The electrodes 2, 3 are advantageously platinum electrodes. Due to the design of the membrane electrode assembly 1 in
Dünnschichttechnologie und der damit einhergehenden flachen Geometrie der Membranelektrodenanordnung 1 , ist der Widerstand der keramischen Membran 4 im Vergleich zum Stand der Technik erniedrigt. Der Widerstand der Thin-film technology and the concomitant flat geometry of the membrane electrode assembly 1, the resistance of the ceramic membrane 4 is lowered compared to the prior art. The resistance of the
keramischen Membran 4 ist jedoch wesentlich für die Bestimmung der However, ceramic membrane 4 is essential for the determination of
Betriebstemperatur der Nernstzelle. Für einen Transport von Sauerstoffionen (O2 ) durch die keramische Membran ist eine Betriebstemperatur zwischen 300 °C und 800 °C notwendig. Schwankungen in der erhaltenen Nernstspannung können am besten über eine Regelung der Betriebstemperatur minimiert werden. Dies gelingt am einfachsten durch Messung des zeitlichen Temperaturverlaufs der Nernstzelle über den temperaturabhängigen Widerstand der keramischen Membran 4. Der Widerstand der keramischen Membran 4 ist in Serie geschaltet mit dem Innenwiderstand der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3. Um daher aus der Überlagerung der Widerstände den Widerstand der keramischen Membran 4 zu vereinzeln, wird der Widerstand der keramischenOperating temperature of the Nernst cell. For a transport of oxygen ions (O 2 ) through the ceramic membrane, an operating temperature between 300 ° C and 800 ° C is necessary. Fluctuations in the Nernst voltage obtained can best be minimized by regulating the operating temperature. The resistance of the ceramic membrane 4 is connected in series with the internal resistance of the first electrode 2 and the second electrode 3. In order therefore from the superposition of the resistors to singulate the resistance of the ceramic membrane 4, the resistance of the ceramic
Membran 4 durch das Anordnen der Isolationsschicht 5 bedeutend erhöht. Der Widerstand der keramischen Membran 4 wird also durch die geometrische Ausgestaltung und Anordnung der Isolationsschicht 5 und damit durch Membrane 4 significantly increased by arranging the insulation layer 5. The resistance of the ceramic membrane 4 is thus determined by the geometric configuration and arrangement of the insulating layer 5 and thus
Verlängerung des Diffusionsweges D für die chemischen Verbindungen, z.B. Sauerstoffionen, Protonen, etc. durch die keramische Membran 4 eingestellt. Extension of the diffusion path D for the chemical compounds, e.g. Oxygen ions, protons, etc. set by the ceramic membrane 4.
Durch die Ausprägung der Membranelektrodenanordnung 1 in By the expression of the membrane electrode assembly 1 in
Dünnschichttechnologie sind sehr geringe Toleranzen in den Schichtdicken der einzelnen Schichten möglich. Durch die geringen Prozesstoleranzen ist der Widerstand über mehrere Sensoren der gleichen Charge konstant. Die Thin-film technology allows very small tolerances in the layer thicknesses of the individual layers. Due to the low process tolerances, the resistance is constant over several sensors of the same batch. The
Membranelektrodenanordnung 1 kann somit mit hoher Präzision, kleinbauend und mit geringer thermischer Masse ausgeführt werden.  Membrane electrode assembly 1 can thus be made with high precision, small-sized and low thermal mass.
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Figure 2 shows a second embodiment of a
Membranelektrodenanordnung 1 . Im Unterschied zu der Membrane electrode assembly 1. Unlike the
Membranelektrodenanordnung 1 aus Figur 1 sind zwei Isolationsschichten 5 in die keramische Membran integriert. Die Isolationsschichten 5 sind somit in der keramischen Membran 4 angeordnet. Hierdurch überdecken die  Membrane electrode assembly 1 of Figure 1, two insulation layers 5 are integrated into the ceramic membrane. The insulating layers 5 are thus arranged in the ceramic membrane 4. This cover the
Isolationsschichten 5 in Schichtdickenrichtung X einen größeren Bereich der ersten Elektrode 2 und der zweite Elektrode 3. Der Diffusionsweg D wird vergrößert, wodurch der Widerstand der keramischen Membran 4 ebenfalls vergrößert wird. Durch die Integration der Isolationsschichten 5 räumlich in die keramische Membran 4, so dass die Isolationsschichten 5 allseitig von der keramischen Membran 4 umgeben sind, wird außerdem die mechanische Stabilität der keramischen Membran 4 verbessert. Insulation layers 5 in the layer thickness direction X a larger portion of the first electrode 2 and the second electrode 3. The diffusion path D is increased, whereby the resistance of the ceramic membrane 4 is also increased. As a result of the integration of the insulation layers 5 spatially into the ceramic membrane 4, so that the insulation layers 5 are surrounded on all sides by the ceramic membrane 4, the mechanical stability of the ceramic membrane 4 is also improved.
Figur 3 zeigt eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen FIG. 3 shows a third embodiment of the invention
Membranelektrodenanordnung 10. Die Membranelektrodenanordnung 10 weist zwei Isolationsschichten 5 auf, von denen eine Isolationsschicht in die keramische Membran 4 integriert und eine Isolationsschicht an der Oberfläche der keramischen Membran 4 angeordnet und nicht in die keramische Membran 4 integriert ist. Auch durch diese geometrische Anordnung der Isolationsschichten 5 kann der Diffusionsweg verlängert und damit der Widerstand der keramischen Membran 4 erhöht werden. Membrane electrode assembly 10. The membrane electrode assembly 10 has two insulation layers 5, of which an insulation layer integrated into the ceramic membrane 4 and an insulation layer disposed on the surface of the ceramic membrane 4 and is not integrated into the ceramic membrane 4. Also by this geometric arrangement of the insulating layers 5, the diffusion path can be extended and thus the resistance of the ceramic membrane 4 can be increased.
Die Membranelektrodenanordnung 10 unterscheidet sich von der The membrane electrode assembly 10 is different from the
Membranelektrodenanordnung 1 zudem durch die Anordnung von zwei Membrane electrode assembly 1 also by the arrangement of two
Zwischenschichten 6, 7. Eine erste Zwischenschicht 6 ist zwischen der ersten Elektrode 2 und der keramischen Membran 4 und eine zweite Zwischenschicht 7 ist zwischen der zweiten Elektrode 3 und der keramischen Membran 4 angeordnet (jeweils in Schichtdickenrichtung X betrachtet). Intermediate layers 6, 7. A first intermediate layer 6 is disposed between the first electrode 2 and the ceramic membrane 4 and a second intermediate layer 7 is disposed between the second electrode 3 and the ceramic membrane 4 (viewed in the layer thickness direction X, respectively).
Die Zwischenschichten 6, 7 enthalten mindestens ein katalytisch aktives The intermediate layers 6, 7 contain at least one catalytically active
Elektrodenmaterial und das Material der keramischen Membran 4. Eine beispielhafte Zusammensetzung einer Zwischenschicht ist Platin und YSZ. Die Zwischenschichten 6, 7 können als poröse Schichten ausgebildet sein und erhöhen die katalytisch aktive Fläche bzw. Oberfläche der Elektroden 2, 3. Electrode material and the material of the ceramic membrane 4. An exemplary composition of an intermediate layer is platinum and YSZ. The intermediate layers 6, 7 may be formed as porous layers and increase the catalytically active area or surface of the electrodes 2, 3.
Figur 4 zeigt eine vierte Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen FIG. 4 shows a fourth embodiment of the invention
Membranelektrodenanordnung 100. Neben einer ersten Elektrode 2, einer zweiten Elektrode 3, einer keramischen Membran 4, einer Mehrzahl von in die keramische Membran 4 integrierten Isolationsschichten 5 und Zwischenschichten 6, 7 weist die Membranelektrodenanordnung 100 als weitere Komponente zudem einen Träger 8 auf. Der Träger 8 ist vorzugsweise aus Siliziumnitrid gebildet und fungiert als Skelett für die angeordneten Komponenten. Das Trägermaterial und insbesondere Siliziumnitrid beeinflusst einerseits die mechanischen Spannungen auf die enthaltenen Komponenten und andererseits die thermischen Eigenschaften, wie den Wärmeausdehnungskoeffizient und die Wärmeleitfähigkeit der Membranelektrodenanordnung 100. Wie weiter oben bereits beschrieben, wirkt das Trägermaterial hierbei als eine Art Puffer um thermisch induzierte Spannungen zu relaxieren. Membrane electrode assembly 100. In addition to a first electrode 2, a second electrode 3, a ceramic membrane 4, a plurality of integrated in the ceramic membrane 4 insulating layers 5 and intermediate layers 6, 7, the membrane electrode assembly 100 also has a carrier 8 as a further component. The carrier 8 is preferably formed of silicon nitride and acts as a skeleton for the arranged components. The carrier material and in particular silicon nitride influences on the one hand the mechanical stresses on the components contained and on the other hand the thermal Properties, such as the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity of the membrane electrode assembly 100. As already described above, the carrier material acts as a kind of buffer to relax thermally induced stresses.
Durch die Anordnung und Integration der Isolationsschichten 5 werden die erste Elektrode 2 und die zweite Elektrode 3 vollständig in Schichtdickenrichtung X der Membranelektrodenanordnung überdeckt. Bei Projektion entlang der As a result of the arrangement and integration of the insulation layers 5, the first electrode 2 and the second electrode 3 are completely covered in the layer thickness direction X of the membrane electrode arrangement. When projected along the
Schichtdickungsrichtung X überdecken bzw. überlappen die projizierten Flächen der Isolationsschichten 5 vollständig die projizierten Flächen der beiden Layer thickness direction X overlap or overlap the projected areas of the insulating layers 5 completely the projected areas of the two
Elektroden 2, 3. Ein direkter Diffusionsweg D von der ersten Elektrode 2 zur zweiten Elektrode 3 besteht nicht. Der Diffusionsweg D ist deutlich verlängert. Dies vergrößert den Widerstand der keramischen Membran 4 bedeutend.  Electrodes 2, 3. A direct diffusion path D from the first electrode 2 to the second electrode 3 does not exist. The diffusion path D is significantly extended. This significantly increases the resistance of the ceramic membrane 4.

Claims

Membranelektrodenanordnung umfassend Membrane electrode arrangement comprising
- eine erste Elektrode - a first electrode
(2), (2),
- eine zweite Elektrode (3) und - a second electrode (3) and
- eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (2, - one between the first and second electrodes (2,
3) angeordnete keramische Membran (4), 3) arranged ceramic membrane (4),
- wobei die keramische Membran (4) mindestens eine Isolationsschicht (5) umfasst, - wherein the ceramic membrane (4) comprises at least one insulation layer (5),
- wobei die Isolationsschicht (5) die erste Elektrode (2) und die zweite Elektrode (3) zumindest teilweise in Schichtdickenrichtung (X) der Membranelektrodenanordnung (1 , 10, 100), insbesondere um - wherein the insulation layer (5) covers the first electrode (2) and the second electrode (3) at least partially in the layer thickness direction (X) of the membrane electrode arrangement (1, 10, 100), in particular around
mindestens 5 %, überdeckt, at least 5%, covered,
- wobei die Isolationsschicht (5) für eine zu diffundierende chemische Verbindung undurchlässig ist und - wherein the insulation layer (5) is impermeable to a chemical compound to be diffused and
- wobei die keramische Membran (4) und die Isolationsschicht (5) als Dünnschichten ausgebildet sind. - Wherein the ceramic membrane (4) and the insulation layer (5) are designed as thin layers.
Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (5) die erste Elektrode (2) und/oder die zweite Elektrode (3) in Schichtdickenrichtung (X) der Membrane electrode arrangement according to claim 1, characterized in that the insulation layer (5) covers the first electrode (2) and/or the second electrode (3) in the layer thickness direction (X).
Membranelektrodenanordnung (100) vollständig überdeckt. Membrane electrode arrangement (100) completely covered.
Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke (S) der keramischen Membran (4) und/oder der Isolationsschicht (5) in Schichtdickenrichtung (X) bis zu 5 μηι beträgt. Membrane electrode arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that a layer thickness (S) of the ceramic membrane (4) and/or the insulation layer (5) in the layer thickness direction (X) is up to 5 μm.
Membranelektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Membrane electrode arrangement according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Membran Claims, characterized in that the ceramic membrane
(4) mehrere Einzelmembranen umfasst, die in einer Ebene senkrecht zur Schichtdickenrichtung (X) angeordnet sind. (4) comprises a plurality of individual membranes which are arranged in a plane perpendicular to the layer thickness direction (X).
5. Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fläche einer keramischen Einzelmembran maximal bis zu 3000 μηι2 beträgt. 5. Membrane electrode arrangement according to claim 4, characterized in that an area of a ceramic individual membrane is a maximum of up to 3000 μηι 2 .
6. Membranelektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden 6. Membrane electrode arrangement according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (5) an und/oder in der keramischen Membran (4) angeordnet ist. Claims, characterized in that the insulation layer (5) is arranged on and/or in the ceramic membrane (4).
7. Membranelektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden 7. Membrane electrode arrangement according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (5) mindestens ein Oxid oder Nitrid enthält, wobei das Oxid oder Nitrid insbesondere ausgewählt ist aus: SiNx, Si02 und Al203. Claims, characterized in that the insulation layer (5) contains at least one oxide or nitride, the oxide or nitride being selected in particular from: SiN x , Si0 2 and Al 2 0 3 .
8. Membranelektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden 8. Membrane electrode arrangement according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Elektrode Claims, characterized in that between the first electrode
(2) und der keramischen Membran (4) und/oder zwischen der zweiten Elektrode (3) und der keramischen Membran (4) eine Zwischenschicht (6, 7) angeordnet ist, die mindestens ein katalytisch aktives Elektrodenmaterial und das Material der keramischen Membran enthält. (2) and the ceramic membrane (4) and/or between the second electrode (3) and the ceramic membrane (4) an intermediate layer (6, 7) is arranged, which contains at least one catalytically active electrode material and the material of the ceramic membrane .
9. Membranelektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden 9. Membrane electrode arrangement according to one of the preceding
Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Träger (8), insbesondere aus SiNx, der mit der ersten Elektrode (2), der zweiten Elektrode (3) und der keramischen Membran (4) verbunden ist. Claims, characterized by a carrier (8), in particular made of SiN x , which is connected to the first electrode (2), the second electrode (3) and the ceramic membrane (4).
10. Brennstoffzelle, umfassend eine Membranelektrodenanordnung (1 , 1 0, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 10. Fuel cell, comprising a membrane electrode arrangement (1, 10, 100) according to one of the preceding claims.
1 1 . Abgassonde, umfassend eine Membranelektrodenanordnung (1 , 10, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9. 1 1 . Exhaust gas probe, comprising a membrane electrode arrangement (1, 10, 100) according to one of claims 1 to 9.
12. Elektrochemisches Bauelement, umfassend eine 12. Electrochemical component, comprising a
Membranelektrodenanordnung (1 , 10, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9. Membrane electrode arrangement (1, 10, 100) according to one of claims 1 to 9.
13. Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung (1 , 10, 100) umfassend eine erste Elektrode (2), eine zweite Elektrode (3) und eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (2, 3) angeordnete keramische Membran (4), wobei die keramische Membran (4) mindestens eine Isolationsschicht (5) umfasst, wobei die Isolationsschicht (5) für eine zu diffundierende chemische Verbindung undurchlässig ist, wobei das Verfahren einen Schritt des Herstellens der keramischen Membran (4) sowie der Isolationsschicht (5) mittels Dünnschichttechnologie umfasst und wobei die Isolationsschicht (5) derart angeordnet wird, dass die 13. A method for producing a membrane electrode arrangement (1, 10, 100) comprising a first electrode (2), a second electrode (3) and a ceramic membrane (4) arranged between the first and second electrodes (2, 3), the ceramic membrane (4) comprising at least one insulation layer (5), the insulation layer (5) being impermeable to a chemical compound to be diffused, wherein the method comprises a step of producing the ceramic membrane (4) and the insulation layer (5) using thin-film technology and wherein the insulation layer (5) is arranged in such a way that the
Isolationsschicht (5) einen Diffusionsweg (D) von der ersten Elektrode (2) über die keramische Membran (4) zur zweiten Elektrode (3) verlängert. Insulation layer (5) extends a diffusion path (D) from the first electrode (2) via the ceramic membrane (4) to the second electrode (3).
14. Verfahren nach Anspruch 1 3, dadurch gekennzeichnet, dass die 14. The method according to claim 1 3, characterized in that the
keramische Membran (4) und/oder die Isolationsschicht (5) mit einer Schichtdicke bis zu 5 μηι hergestellt wird. ceramic membrane (4) and/or the insulation layer (5) is produced with a layer thickness of up to 5 μm.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 3 oder 14, gekennzeichnet durch das Anordnen einer Zwischenschicht (6, 7) zwischen der ersten Elektrode (2) und der keramischen Membran (4) und/oder zwischen der zweiten Elektrode (3) und der keramischen Membran (4), wobei die 15. The method according to any one of claims 1 3 or 14, characterized by arranging an intermediate layer (6, 7) between the first electrode (2) and the ceramic membrane (4) and / or between the second electrode (3) and the ceramic Membrane (4), whereby the
Zwischenschicht (6, 7) mindestens ein katalytisch aktives Intermediate layer (6, 7) at least one catalytically active
Elektrodenmaterial und das Material der keramischen Membran (4) enthält. Electrode material and the material of the ceramic membrane (4).
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 3 bis 1 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der nachfolgenden Komponenten, vorzugsweise alle Komponenten, mittels Dünnschichttechnologie hergestellt werden: erste Elektrode (2), zweite Elektrode (3), Zwischenschicht (6, 7). 16. The method according to any one of claims 1 3 to 1 5, characterized in that at least one of the following components, preferably all components, are produced using thin-film technology: first electrode (2), second electrode (3), intermediate layer (6, 7) .
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 3 bis 1 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschichttechnologie mindestens ein Verfahren, ausgewählt aus: CVD, PVD, PECVD, Sputtern, Elektronenstrahlaufdampfen, 17. The method according to any one of claims 1 3 to 1 6, characterized in that the thin film technology comprises at least one method selected from: CVD, PVD, PECVD, sputtering, electron beam vapor deposition,
Ofendiffusion, Schichtabscheidung mittels Laserpulsen und Furnace diffusion, layer deposition using laser pulses and
Atomschichtabscheidung, umfasst. Atomic layer deposition includes.
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