WO2018114505A1 - Verfahren zur herstellung einer brennstoff- und/oder elektrolysezelle sowie eine brennstoff- und/oder elektrolysezelle - Google Patents

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structuring
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layer
fuel
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Imke Heeren
Nicolas Maier
Andreas Haeffelin
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • a method for structuring a functional layer is already known, in which a porosity of the functional layer is deliberately set in a sintering process.
  • the invention is based on a method for producing a fuel and / or electrolysis cell, in which, in particular, at least one functional layer is produced.
  • At least one functional layer of the fuel and / or electrolysis cell is at least partially lithographically structured.
  • a cost-effective, scalable and industrially scalable production method can be provided.
  • a structured functional layer is less susceptible to process-related deviating production parameters, as a result of which a consistently high cell quality can be achieved.
  • a fuel cell having improved efficiency can be manufactured.
  • the lithographic patterning can improve the efficiency of the functional layer, in particular by virtue of an electrochemical structuring. increases chemically active overall surface and transport paths, in particular the percolation and / or the tortuosity, and advantageously individual phases, such as a gas phase, an electrolyte phase and / or the electronically conductive phase of the cell can be improved.
  • a catalytic activity can be improved, and in particular degradation effects, such as stoichiometric deviation, oxidation, agglomeration and / or mixed phase formation, can be reduced. Further advantageously, by an increased catalytic activity, an operating temperature can be reduced despite comparatively constant efficiency, which in particular increases a service life and / or a service life and
  • a “functional layer” is to be understood as meaning, in particular, a layer which is intended to convey at least one transport along a phase, such as a gas phase, an electrolyte phase and / or an electronically conductive phase, to the fuel cell and / or electrolysis cell
  • the functional layer is produced at least partially by a forming process, in particular by embossing, and / or a mastering process, in particular by casting, printing and / or extrusion
  • the fuel and / or electrolysis cell has a plurality of functional layers, which in particular at least partially form a functional layer package.
  • the fuel and / or electrolysis cell has in particular at least one, in particular at least two and particularly preferably at least three functional layers, wherein at least one functional layer, preferably two functional layers are formed as electrode layers, in particular as an anode layer and / or a cathode layer, and / or at least one functional layer is formed as an electrolyte layer, which in particular is arranged between the further functional layers, these are preferably contacted and particularly preferably connected to these materially.
  • the fuel and / or electrolysis cell may comprise bipolar plates, between which at least one functional layer, in particular the functional layer packet, is arranged.
  • the fuel and / or electrolysis cell may have a tube on which at least one functional layer, in particular, the functional layer package is arranged.
  • At least partially structuring a functional layer it should be understood in particular that at least one surface and / or an interface of the functional layer is at least partially, preferably at least to a large extent and particularly preferably completely structured In particular, at least 55%, advantageously at least 65%, preferably at least 75%, particularly preferably at least 85%, and particularly advantageously at least 95% of a surface, a volume, a mass and / or an extent, in particular a main extension, an object.
  • Fuel and / or electrolytic cell is formed as an electrolyte carrier cell, an average value of a thickness of the electrolyte layer is substantially greater than an average deviation of the thickness of the electrolyte layer.
  • the electrolyte layer consists in particular at least partially, preferably at least to a large extent and particularly preferably completely, of ceramics, in particular of yttrium - stabilized zirconium oxide (YSZ), of scandium - stabilized zirconium oxide (ScSZ) and / or gadolinium - stabilized cerium oxide (CGO)
  • Raw material for the production of the electrolyte layer in particular at least of a ceramic, in particular of yttrium-stabilized zirconium oxide (YSZ), of scandium-stabilized zirconium oxide (ScSZ) and / or gadolinium-stabilized cerium oxide (CGO), which may in particular be mixed with other, in particular organic components, such as in particular a binder, such as polyvinylbutral, acrylate, methyl and / or ethylcellulose, and preferably a solvent, such as alcohol or ether, and a dispersant, a plasticizer and / or a defoamer.
  • YSZ yttrium-stabilized zirconium oxide
  • ScSZ scandium-stabilized zirconium oxide
  • CGO gadolinium-stabilized cerium oxide
  • the anode layer consists in particular at least partially, preferably at least for the most part and particularly preferably completely, of a ceramic, in particular of a composite of nickel oxide and yttrium-stabilized zirconium oxide.
  • a raw material for producing the anode layer consists in particular of at least nickel oxide and yttrium-stabilized zirconium oxide, which is mixed with further, in particular organic constituents, in particular a binder, such as, for example Polyvinylbutral, acrylate, methyl and / or ethyl cellulose, and preferably a solvent such as alcohol or ether, and a dispersant, a plasticizer and / or a defoamer.
  • the cathode layer is in particular at least partially, preferably at least for the most part and particularly preferably completely made of a perovskite material, such as LSC or LSCF, and / or a ceramic such as yttrium-stabilized zirconium oxide.
  • a raw material for producing the cathode layer is in particular at least ceramic and / or a perovskite material which is mixed with further, in particular organic constituents, in particular a binder, such as polyvinylbutral, acrylate, methyl and / or ethylcellulose, and preferably a solvent such as alcohol or ether, as well as a dispersant, a plasticizer and / or a defoamer.
  • a raw material forms in particular a preferably homogenized paste and / or slip.
  • the lithographic process is a photolithographic process and / or emboss lithography process, in particular micro and / or nanoimprint lithography processes.
  • the functional layer is provided with at least one structuring having at most microstructures.
  • a "structuring” is to be understood in particular as meaning a periodic shaping, which differs in particular from a porosity of a material and is in particular superior to it Size in particular of at most 100 ⁇ , preferably of at most 50 ⁇ and more preferably of at most 20 ⁇ .
  • the structuring may in particular have at most nanostructures.
  • the term "structuring having at most nanostructures” is to be understood in particular to mean that the structuring has structures of a size, in particular of at most 1000 nm, preferably not more than 750 nm and particularly preferably not more than 500 nm and transport paths can be improved.
  • the functional layer is at least partially structured by a pattern element which at least substantially corresponds to an image of a proposed structuring.
  • the pattern element has, in particular, a structuring which deviates from the provided structuring, in particular by less than 25%, preferably by less than 10% and particularly preferably by less than 5%.
  • the term "provided” is to be understood to mean in particular specially designed and / or equipped.Assuming that an object is intended for a specific function should in particular mean that the object fulfills this specific function in at least one application and / or operating state
  • the image is a negative or a positive of the intended structuring
  • the pattern element has the same periodicity and / or number of structural elements as the intended structuring
  • the image is a three-dimensional image of the intended structure, in particular when used in an embossing lithography process.
  • the pattern element is in particular formed as a stamp, which is provided for a forming process, and / or as a die, which is provided for a primary molding process.
  • the pattern element may itself be produced in a lithographic process, such as by an etching and / or nanolithography process.
  • the pattern element is made from a master pattern element.
  • the master pattern element is in particular pressed into a material forming the pattern element, in particular while the material forming the pattern element is in a low-viscosity state, the original pattern element being removed in particular after partial curing of the material, in particular by temperature exposure and / or UV irradiation becomes. Furthermore, it is conceivable that the original pattern element is destroyed during the production of the pattern element in order to separate it from the pattern element, for example by a chemically and / or thermally selective method step.
  • the pattern element may in particular be applied to and / or on a film and / or a roll, in particular in a roll-to-roll process, or may at least partially form it, in particular to structure with them the functional layer package. This can be done in a simple manner and in particular reproducible structuring.
  • the functional layer is at least partially reshaped by the pattern element, in particular for lithographic structuring.
  • the pattern element is pressed on at least partially and / or in at least one, at least partially viscous part of the functional layer, in particular on a raw material of the functional layer, wherein the functional layer, in particular the raw material of the functional layer, assumes the intended structuring of the pattern element.
  • the functional layer, in particular the raw material of the functional layer is cured during and / or after the forming, in particular by applying heat and / or by electromagnetic radiation, preferably with UV light.
  • the pattern element can be removed, in particular after the forming, from the functional layer, in particular the functional layer.
  • the pattern element for removal from the functional layer is destroyed.
  • the pattern element is removed non-destructively in order to be able to reuse it advantageously.
  • the pattern element used for forming is designed in particular as a stamp.
  • reshaping for structuring preferably takes place in a roll-to-roll process. This allows a particularly quick and easy structuring done.
  • the functional layer is at least partially formed from the pattern element.
  • the pattern element is filled in particular with a raw material of at least one functional layer.
  • the raw material is at least partially cured, in particular in the pattern element, in particular by exposure to temperature and / or UV radiation.
  • the at least partially cured raw material in particular assumes the intended structuring of the pattern element and in particular at least partially forms the functional layer.
  • the pattern element used for the primary molding is designed in particular as a die. This allows a particularly precise structuring.
  • the at least one functional layer is applied from the pattern element to a base layer.
  • the base layer may in particular be a substrate which is removed in at least one method step or at least partially forms a functional layer.
  • the pattern element is, in particular together with a particular at least partially cured raw material of the functional layer, pressed on / to the base layer, in particular under temperature, whereby the particular at least partially cured raw material connects to the base layer and in particular at least partially forms a functional layer.
  • the base layer is applied to the provided with the raw material of the functional layer pattern element, such as by a printing, in particular screen printing, and / or by a casting and / or extrusion process.
  • the functional layer is at least partially formed as at least one electrode layer.
  • the functional layer is at least partially formed as at least one electrolyte layer.
  • a fuel and / or electrolysis cell which has at least one functional layer which has at least one, in particular periodic, lithographic structuring.
  • the fuel and / or electrolysis cell is in particular as a high-temperature fuel cell (SOFC) and / or high-temperature electrolysis cell (SOEC).
  • SOFC high-temperature fuel cell
  • SOEC high-temperature electrolysis cell
  • the fuel and / or electrolytic cell is of the type of an electrolyte carrier cell, in which a functional layer formed as an electrode layer is provided as a carrier of further functional layers, in particular electrode layers.
  • the structuring has at least one substructure.
  • the structuring is in particular a structuring, wel at least microstructure elements.
  • the structuring has, in particular as substructuring, at least nanostructure elements. In this way, in particular, a surface and / or interface can be further increased and, advantageously, transport paths can be further improved.
  • the structuring increases a surface and / or an interface of the functional layer by at least a factor of two, in particular by at least a factor of three, and preferably by at least a factor of four.
  • the structuring is at least partially lamellar, cylinder-like, pyramidal and / or spherical segment-like. As a result, a particularly targeted structuring, in particular for fluid conduction, can be achieved.
  • the method and the fuel and / or electrolysis cell should not be limited to the application and embodiment described above.
  • the method and the fuel and / or electrolytic cell may have a different number from a number of individual method steps, elements, components and units mentioned herein for performing a function described herein.
  • 1 is a schematic representation of a fuel cell in a perspective view
  • 2 shows a part of a functional layer package of the fuel cell in a sectional view
  • 3 a-d show exemplary lithographic structuring of a functional layer of the functional layer package in a perspective view
  • FIG. 6 shows a part of a further exemplary embodiment of a fuel cell in a perspective view
  • FIG. 7 shows an exemplary lithographic structuring of a functional layer of a functional layer package of the fuel cell from FIG. 6 in a perspective view
  • FIG. 8 shows a schematic flowchart of an alternative method for producing the fuel cell from FIG. 6, FIG.
  • FIG. 9 shows an exemplary primary forming step of the method for producing the fuel cell from FIG. 6 and FIG.
  • Fig. 1 shows a fuel cell 10a in a perspective view.
  • the fuel cell 10a is formed as a high-temperature fuel cell. Further, the fuel cell 10a is a tubular fuel cell.
  • a functional layer package 12a forms the fuel cell 10a at least to a large extent.
  • the fuel cell 10a has a tube 34a on which the functional layer package 12a is arranged.
  • the functional layer package 12a may also be part of an electrolysis cell and form it, in particular, at least to a large extent.
  • the fuel cell could have bipolar plates, between which the functional layer package could be arranged.
  • FIG. 2 shows a part of the functional layer package 12a of the fuel cell 10a in a sectional view.
  • the functional layer package 12a has a first functional layer 22a.
  • the first functional layer 22a is an electrode layer, in particular an anode layer.
  • the functional layer package 12a has a second functional layer 24a.
  • the second functional layer 24a is an electrolyte layer.
  • the functional layer package 12a has a third functional layer 26a.
  • the third functional layer 26a is a further electrode layer, in particular a cathode layer.
  • the second functional layer 24a is arranged between the first functional layer 22a and the third functional layer 26a.
  • the second functional layer 24a contacts the first functional layer 22a and in particular is connected to it in a materially bonded manner.
  • the second functional layer 22a contacts the third functional layer 26a and in particular is connected to it in a materially bonded manner.
  • the first functional layer 22a consists at least partially, preferably at least for the most part and particularly preferably completely of a ceramic, in particular of a composite of nickel oxide and yttrium-stabilized zirconium oxide.
  • the second functional layer 24a consists at least partially of a ceramic, in particular of yttrium-stabilized zirconium oxide (YSZ).
  • the second functional layer 24a may consist at least partially of scandium-stabilized zirconium oxide (ScSZ) and / or gadolinium-stabilized cerium oxide (CGO).
  • the third functional layer 26a is at least partially made of a perovskite material such as LSC or LSCF.
  • the third functional layer 26a may be at least partially made of a ceramic, such as yttria-stabilized zirconia.
  • the functional layer package 12a has a lithographic patterning 14a.
  • an interface 32a of the first functional layer 22a, which in particular adjoins the second functional layer 24a is provided with the lithographic patterning 14a.
  • an interface 33a of the second functional layer 24a, which in particular adjoins the third functional layer 26a is provided with a lithographic patterning 14a.
  • different lithographic patterns 14a of the functional layer package 12a are shown by way of example.
  • the structuring 14a enlarges boundary surfaces 32a of the functional layer package 12a, in particular of the respective boundary surfaces 32a, 33a of the functional layers 22a, 24a, 26a, at least by the factor two.
  • the structuring 14a has at most microstructure elements 18a.
  • the microstructure elements 18a may be lamellar, cylinder-like, conical, pyramidal and / or spherical segment-like.
  • the structuring 14a may have differently shaped microstructure elements 18a.
  • FIG. 4 shows a schematic flowchart of a method for producing the fuel cell 10a. Furthermore, the method is equally suitable for the production of an electrolytic cell.
  • the functional layer package 12a is at least partially lithographically structured.
  • the functional layer package 12a and, in particular, the functional layers 22a, 24a, 26a are applied to a base layer 28a by means of a screen printing method.
  • the base layer 28a is a particularly removable substrate.
  • the base layer 28a is a film.
  • the base layer 28a is at least partially made of paper.
  • the base layer 28a is known by the trade name Trucal.
  • the functional layer package 12a is at least partially reshaped in a structuring 14a.
  • the method has at least one method step 36a.
  • method step 36a at least partially the first functional layer 22a is produced.
  • a raw material of the first functional layer 22a is applied to the base layer 28a.
  • the first functional layer 22a is provided with a structuring 14a.
  • the raw material of the first functional layer 22a is a paste and / or a slip.
  • the raw material of the first functional layer 22a is at least partially formed by means of a pattern element 20a.
  • the transformation process is shown schematically in FIG. 5.
  • the pattern element 20a corresponds at least essentially to an image of a proposed structuring 14a of the first functional layer 22a. In the present case, the pattern element is designed as a stamp.
  • the deformation takes place in a still at least partially viscous state of the raw material of the first functional layer 22a.
  • the pattern element 20a becomes away from the first functional layer 22a.
  • the raw material of the first functional layer 22a is at least partially cured before or after the removal of the pattern element 20a and forms the first functional layer 22a.
  • the first functional layer 22a may be cured by exposure to heat or in a manner which is particularly preferred by a person skilled in the art.
  • the method comprises a further method step 38a.
  • the second functional layer 24a is applied to the first functional layer 22a.
  • a raw material of the second functional layer 24a is applied to the first functional layer 22a.
  • the raw material of the second functional layer 24a fills out cavities of the structuring 14a of the first functional layer 22a.
  • the second functional layer 24a is provided with a structuring 14a.
  • the raw material of the second functional layer 24a is at least partially reshaped by means of the pattern element 20a corresponding to the preceding method step 36a.
  • the method comprises a further method step 40a.
  • the third functional layer 26a is applied to the second functional layer 24a.
  • a raw material of the third functional layer 26a is applied to the second functional layer 24a.
  • the raw material of the third functional layer 26a at least partially fills out cavities of the structuring 14a of the second functional layer 26a.
  • the raw material of the third functional layer 26a is at least partially cured.
  • the raw material of the third functional layer 26a at least partially forms the third functional layer 26a.
  • the method comprises a further method step 42a.
  • the functional layer package 12a is connected to a carrier unit 29a.
  • the carrier unit 29a is provided in particular for the arrangement of the functional layer package 12a on the tube 34a of the fuel cell 10a.
  • the functional package 12a is at least partially encapsulated with a carrier mass forming the carrier unit 29a.
  • the carrier mass comprises at least forsterite.
  • the carrier mass is in particular at least partially porous sintering.
  • the third functional layer 26a and the carrier unit 29a are in particular materially connected to one another by means of a binder contained in the respective raw materials, in particular by heat-bonding.
  • the binder comprises at least polyvinyl butyral (PVB).
  • the method comprises a further method step 44a.
  • the functional layer package 12a is predistiluted in a water bath, in particular for at least a period of 1 to 3 days. Further, by contact with water, the base layer 28a can be removed.
  • the method has a further method step 46a.
  • the functional layer package 12a in particular thermally, is debinded.
  • the functional layer package 12a in particular thermally sintered.
  • FIGS. 6 to 10 show further exemplary embodiments of the invention.
  • the following descriptions and the drawings are essentially limited to the differences between the embodiments, wherein with respect to the same designated components, in particular with respect to components with the same reference numerals, in principle to the drawings and / or
  • Fig. 6 shows another embodiment of a fuel cell 10b.
  • the fuel cell 10b is formed as an electrolyte carrier cell.
  • the fuel cell 10b has a functional layer package 12b.
  • the functional layer package 12b has a first functional layer 22b. Furthermore, the
  • Functional layer package 12b on a second functional layer 24b.
  • the functional layer package 12b has a third functional layer 26b.
  • the functional layer package 12b has a lithographic patterning 14b.
  • an interface 32b of the first functional layer 22b, which, in particular, adjoins the second functional layer 24b, is provided with the lithographic patterning 14b.
  • a further interface 33b of the second functional layer 24b, which in particular adjoins the third functional layer 26b, is provided with a lithographic patterning 14b.
  • FIG. 7 shows, by way of example, a lithographic pattern 14b of the functional layer package 12b.
  • the structuring 14b enlarges boundary surfaces 32b, 33b of the functional layer package 12b, in particular the respective boundary surfaces 32b, 33b of the functional layers 22b, 24b, 26b, by at least a factor of two.
  • the structuring 14b has at most microstructure elements 18b.
  • Microstructure elements 18b are formed like spherical segments. Furthermore, the structuring 14b has differently shaped microstructure elements 18b, which form a substructure, in particular a grid. Alternatively or additionally, the structuring 14b may have a substructure 30b, which may comprise, for example, nanostructure elements.
  • FIG. 8 shows a schematic flowchart of a method for producing the fuel cell 10b.
  • the functional layer package 12b is at least partially lithographically structured.
  • the base layer 28b is a film.
  • a base layer 28b consists at least in part of yttrium-stabilized zirconium oxide.
  • the base layer 28b at least partially forms the second functional layer 24b of the functional layer package 12b.
  • the base layer 28b may be, for example, film-cast or extruded.
  • the method has a method step 36b. In the process step
  • the second functional layer 24b is provided with the structuring 14b.
  • the second functional layer 24b is at least partially formed by means of a pattern element 20b.
  • the primary forming process is shown schematically in FIG.
  • the pattern element 20b is a die.
  • the raw material of the second functional layer 24b is applied to the pattern member 20b.
  • a raw material of the second functional layer 24b is patterned by the pattern element 20b.
  • the initial forming takes place in a still at least partially viscous state of the raw material of the second functional layer 24b.
  • the raw material of the second functional layer 24b is at least partially cured.
  • the pattern element 20b which at least partially with the Raw material of the second functional layer 24b is filled is pressed on at least one side of the base layer 28b.
  • the raw material of the second functional layer 24b bonds to the base layer 28b.
  • the raw material of the second functional layer 24b forms the second functional layer 24b at least partially together with the base layer 28b.
  • another side of the base layer 28b can be processed in the same way in a further method step or in a same method step.
  • the method has a further method step 38b.
  • Function layer 24b applied to the third functional layer 26b.
  • cavities of the structuring 14b of the third functional layer 24b of raw materials of the first and the third functional layers 22b, 26b are filled.
  • the first and second functional layers 22b, 26b could also be applied by further deposition processes, such as, for example, physical vapor deposition, atomic layer coating, inkjet, aerosoljet, and / or plasma spray processes.
  • the method has a further method step 40b.
  • the functional layers 22b, 24b, 26b are dried.
  • the functional layers 22b, 24b, 26b are debinded and sintered.
  • FIG. 10 shows a schematic flow chart of a further alternative method for producing the fuel cell 10b.
  • the functional layer package 12b by means of a roll-to-roll method to a
  • Base layer 28b applied.
  • a pattern element 20b at least partially forms a roll along which the base layer 28b is conveyed.
  • the method has a method step 36c. In the process step
  • a raw material of a second functional layer 22b is applied to at least one side of the base layer 28b. Furthermore, the base layer 28b is conveyed along the roller. The raw material of a second functional layer 24b is partially reshaped and patterned by the pattern member 20b. Furthermore, in the same way in a further process step or in a same process step, another side of the base layer 28c are processed.
  • the method has the method steps 38c, 40c, which are described correspondingly in the preceding exemplary embodiment.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle (10a; 10b), wobei zumindest eine Funktionsschicht (22a-b, 24a-b, 26a-b) zumindest teilweise lithographisch strukturiert wird.

Description

Beschreibung Titel:
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle sowie eine Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle
Stand der Technik
Es ist bereits ein Verfahren zur Strukturierung einer Funktionsschicht bekannt, bei welchem in einem Sintervorgang eine Porosität der Funktionsschicht gezielt eingestellt wird.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle, bei welchem insbesondere zumindest eine Funktionsschicht hergestellt wird.
Es wird vorgeschlagen, dass zumindest eine Funktionsschicht der Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle zumindest teilweise lithographisch strukturiert wird.
Vorteilhaft kann mittels einer lithographischen Strukturierung ein kostengünstiges, großtechnisch skalierbares und einsetzbares Herstellungsverfahren bereitgestellt werden. Insbesondere ist eine derartig strukturierte Funktionsschicht weniger störanfällig gegen prozessbedingt abweichende Herstellparameter, wodurch eine gleichbleibend hohe Zellqualität erreicht werden kann. Ferner kann insbesondere eine Brennstoffzelle mit einer verbesserten Effizienz hergestellt werden. Vorteilhaft kann durch die lithographische Strukturierung eine Wirkeffizienz der Funktionsschicht verbessert werden, indem insbesondere eine elektro- chemisch aktive Gesamtoberfläche vergrößert und Transportpfade, insbesondere der Perkolation und/oder der Tortuosität, sowie vorteilhafterweise einzelner Phasen, wie beispielsweise einer Gasphase, einer Elektrolytphase und/oder der elektronisch leitenden Phase der Zelle, verbessert werden. Besonders bevorzugt kann eine katalytische Aktivität verbessert und insbesondere können Degradationseffekte, wie beispielsweise eine stöchiometrische Abweichung, eine Oxidati- on, eine Agglomeration und/oder eine Mischphasenbildung, verringert werden. Weiter vorteilhaft kann durch eine gesteigerte katalytische Aktivität eine Betriebstemperatur trotz vergleichsweise gleichbleibender Effizienz verringert werden, wodurch insbesondere eine Lebensdauer und/oder eine Standzeit erhöht und
Wartungsintervalle verringert werden können.
Unter einer„Funktionsschicht" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Schicht verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest einen Transport entlang einer Phase, wie beispielsweise einer Gasphase, einer Elektrolytphase und/oder einer elektronisch leitenden Phase, der Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle zu beeinflussen. Die Funktionsschicht wird zumindest teilweise durch einen Umformprozess, insbesondere durch Prägen, und/oder einen Ur- formprozess, insbesondere durch Gießen, Drucken und/oder Extrudieren, herge- stellt. Insbesondere kann eine Funktionsschicht zumindest teilweise von einer
Folie, insbesondere eine Polymerfolie, ausgebildet sein. Insbesondere weist die Brennstoff und/oder Elektrolysezelle mehrere Funktionsschichten auf, welche insbesondere zumindest teilweise ein Funktionsschichtpaket ausbilden. Die Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle weist insbesondere zumindest eine, insbe- sondere zumindest zwei und besonders bevorzugt zumindest drei Funktionsschichten auf, wobei zumindest eine Funktionsschicht, vorzugsweise zwei Funktionsschichten als Elektrodenschichten, insbesondere als eine Anodenschicht und/oder eine Kathodenschicht, ausgebildet sind und/oder zumindest eine Funktionsschicht als eine Elektrolytschicht ausgebildet ist, welche insbesondere zwi- sehen den weiteren Funktionsschichten angeordnet ist, diese vorzugsweise kontaktiert und besonders bevorzugt mit diesen stoffschlüssig verbunden ist. Insbesondere kann die Brennstoff und/oder Elektrolysezelle Bipolarplatten aufweisen, zwischen welchen zumindest eine Funktionsschicht, insbesondere das Funktionsschichtpaket, angeordnet ist. Alternativ kann die Brennstoff und/oder Elektro- lysezelle einen Tubus aufweisen, an welchem zumindest eine Funktionsschicht, insbesondere das Funktionsschichtpaket, angeordnet ist. Darunter, dass„eine Funktionsschicht zumindest teilweise strukturiert wird", soll insbesondere verstanden werden, dass zumindest eine Oberfläche und/oder eine Grenzfläche der Funktionsschicht zumindest teilweise, vorzugsweise zumindest zu einem Großteil und besonders bevorzugt vollständig strukturiert wird. Unter dem Ausdruck„zumindest zu einem Großteil" soll dabei insbesondere zumindest zu 55 %, vorteilhaft zumindest zu 65 %, vorzugsweise zumindest zu 75 %, besonders bevorzugt zumindest zu 85 % und besonders vorteilhaft zumindest zu 95 % einer Fläche, eines Volumens, einer Masse und/oder einer Erstreckung, insbesondere einer Haupterstreckung, eines Objekts verstanden werden. Für den Fall, dass die
Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle als eine Elektrolytträgerzelle ausgebildet ist, ist ein Mittelwert einer Dicke der Elektrolytschicht wesentlich größer als eine mittlere Abweichung der Dicke der Elektrolytschicht. Unter„wesentlich größer" soll in diesem Zusammenhang zumindest um einen Faktor zwei, vorzugsweise zumin- dest um einen Faktor drei und besonders bevorzugt zumindest um einen Faktor vier größer verstanden werden. Die Elektrolytschicht besteht insbesondere zumindest teilweise, vorzugsweise zumindest zu einem Großteil und besonders bevorzugt vollständig, aus einer Keramik, insbesondere aus yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid (YSZ), aus scandiumstabilisiertem Zirconiumoxid (ScSZ) und/oder gadoliniumstabilisiertem Ceriumoxid (CGO). Bei einer Herstellung besteht ein
Rohmaterial zur Herstellung der Elektrolytschicht insbesondere zumindest aus einer Keramik, insbesondere aus yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid (YSZ), aus scandiumstabilisiertem Zirkoniumoxid (ScSZ) und/oder gadoliniumstabilisiertem Ceriumoxid (CGO), welche insbesondere mit weiteren, insbesondere organi- sehen Bestandteilen vermischt sein kann, wie insbesondere einem Binder, wie beispielsweise Polyvinylbutral, Acrylat, Methyl- und/oder Ethylcellulose, sowie vorzugsweise einem Lösemittel, wie beispielsweise Alkohol oder Ether, sowie einem Dispergator, einem Weichmacher und oder einem Entschäumer. Die Anodenschicht besteht insbesondere zumindest teilweise, vorzugsweise zumindest zu einem Großteil und besonders bevorzugt vollständig, aus einer Keramik, insbesondere aus einem Verbundstoff von Nickeloxid und yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid. Bei einem Herstellungsschritt besteht ein Rohmaterial zur Herstellung der Anodenschicht insbesondere zumindest aus Nickeloxid und yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid, welches mit weiteren, insbesondere organischen Be- standteilen vermischt ist, wie insbesondere einem Binder, wie beispielsweise Polyvinylbutral, Acrylat, Methyl- und/oder Ethylcellulose, sowie vorzugsweise einem Lösemittel, wie beispielsweise Alkohol oder Ether, sowie einem Dispergator, einem Weichmacher und/oder einem Entschäumer. Die Kathodenschicht besteht insbesondere zumindest teilweise, vorzugsweise zumindest zu einem Großteil und besonders bevorzugt vollständig aus einem Perowskitmaterial, wie beispielsweise LSC oder LSCF, und/oder einer Keramik, wie beispielsweise yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid. Bei einem Herstellungsprozess besteht ein Rohmaterial zur Herstellung der Kathodenschicht insbesondere zumindest aus Keramik und/oder einem Perowskitmaterial , welches mit weiteren, insbesondere organischen Bestandteilen vermischt ist, wie insbesondere einem Binder, wie beispielsweise Polyvinylbutral, Acrylat, Methyl- und/oder Ethylcellulose, sowie vorzugsweise einem Lösemittel, wie beispielsweise Alkohol oder Ether, sowie einem Dispergator, einem Weichmacher und oder einem Entschäumer. Bei einer Herstellung bildet ein Rohmaterial insbesondere eine/n vorzugsweise homogeni- sierte/n Paste und/oder Schlicker aus. Unter„lithographisch strukturieren" soll insbesondere das Herstellen einer Strukturierung mittels eines lithographischen Verfahrens verstanden werden. Insbesondere ist das lithographische Verfahren ein Fotolithographieverfahren und/oder Prägelithographieverfahren, insbesondere Mikro- und/oder Nanoprägelithographieverfahren.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Funktionsschicht mit zumindest einer Strukturierung versehen wird, welche höchstens Mikrostrukturen aufweist. Unter einer„Strukturierung" soll insbesondere eine periodische Formgebung verstanden werden, welche insbesondere von einer Porosität eines Materials verschie- den und insbesondere dieser übergeordnet ist. Darunter, dass eine„Strukturierung höchstens Mikrostrukturen aufweist", soll insbesondere verstanden werden, dass die Strukturierung Strukturen einer Größe insbesondere von höchstens 100 μηι, vorzugsweise von höchstens 50 μηι und besonders bevorzugt von höchstens 20 μηι aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann die Strukturierung ins- besondere höchstens Nanostrukturen aufweisen. Darunter, dass eine„Strukturierung höchstens Nanostrukturen aufweist", soll insbesondere verstanden werden, dass die Strukturierung Strukturen einer Größe insbesondere von höchstens 1000 nm, vorzugsweise von höchstens 750 nm und besonders bevorzugt von höchstens 500 nm aufweist. Hierdurch kann insbesondere eine Oberfläche ver- größert und Transportpfade können verbessert werden. Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Funktionsschicht zumindest teilweise von einem Musterelement strukturiert wird, welches zumindest im Wesentlichen einem Abbild einer vorgesehenen Strukturierung entspricht. Das Musterelement weist insbesondere eine Strukturierung auf, welche von der vorgesehen Strukturierung insbesondere um weniger als 25%, vorzugsweise um weniger als 10% und besonders bevorzugt um weniger als 5% abweicht. Unter„vorgesehen" soll insbesondere speziell ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbe- sondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Insbesondere ist das Abbild ein Negativ oder ein Positiv der vorgesehenen Strukturierung. Insbesondere weist das Musterelement eine gleich Periodizität und/oder Anzahl an Strukturelementen auf wie die vorgesehene Strukturierung. Vorzugsweise ist das Abbild eine zweidimensionale Abbildung der vorgesehenen
Strukturierung, insbesondere bei einer Anwendung in einem Fotolithographieverfahren. Besonders bevorzugt ist das Abbild eine dreidimensionale Abbildung der vorgesehenen Struktur, insbesondere bei einer Anwendung in einem Prägelitho- graphieverfahren. Das Musterelement ist insbesondere als ein Stempel, welcher zu einem Umformprozess vorgesehen ist, und/oder als eine Matrize, welche zu einem Urformprozess vorgesehen ist, ausgebildet. Das Musterelement kann insbesondere selbst in einem lithographischen Verfahren hergestellt werden, wie beispielsweise durch ein Ätz- und/oder Nanolithographieverfahren. Insbesondere ist das Musterelement aus einem Urmusterelement hergestellt. Das Urmus- terelement wird insbesondere in ein das Musterelement ausbildendes Material eingedrückt, insbesondere während das das Musterelement ausbildende Material sich in einem niederviskosen Zustand befindet, wobei das Urmusterelement insbesondere nach teilweiser Aushärtung des Materials, insbesondere beispielsweise durch Temperaturbeaufschlagung und/oder UV-Bestrahlung, entfernt wird. Ferner ist denkbar, dass das Urmusterelement bei der Herstellung des Musterelements zerstört wird, um dieses von dem Musterelement zu trennen, wie beispielsweise durch einen chemisch und/oder thermisch selektiven Verfahrensschritt. Das Musterelement kann insbesondere an und/oder auf einer Folie und/oder einer Walze, insbesondere in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren, aufge- bracht werden oder kann diese zumindest teilweise ausbilden, um insbesondere mit diesen das Funktionsschichtpaket zu strukturieren. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise und insbesondere reproduzierbar eine Strukturierung erfolgen.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Funktionsschicht zumindest teilweise von dem Musterelement, insbesondere zur lithographischen Strukturierung, umgeformt wird. Insbesondere wird das Musterelement zumindest teilweise auf und/oder in zumindest einen, zumindest teilweise viskosen Teil der Funktionsschicht, insbesondere auf ein Rohmaterial der Funktionsschicht, gepresst, wobei die Funktionsschicht, insbesondere das Rohmaterial der Funktionsschicht, die vorgesehene Strukturierung des Musterelements annimmt. Insbesondere ist es denkbar, dass die Funktionsschicht, insbesondere das Rohmaterial der Funktionsschicht, während und/oder nach der Umformung ausgehärtet wird, insbesondere durch Hitzebeaufschlagung und/oder durch elektromagnetische Bestrahlung, vorzugsweise mit UV-Licht. Das Musterelement kann insbesondere nach dem Umformen von der Funktionsschicht, insbesondere der Funktionsschicht, entfernt werden. Denkbar ist, dass das Musterelement zur Entfernen von der Funktionsschicht zerstört wird. Vorzugsweise wird das Musterelement zerstörungsfrei entfernt, um dieses vorteilhaft wieder verwenden zu können. Das zur Umformung verwendete Musterelement ist insbesondere als ein Stempel ausge- bildet. Insbesondere erfolgt ein Umformen zur Strukturierung vorzugsweise in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Hierdurch kann eine besonders schnelle und einfache Strukturierung erfolgen.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Funktionsschicht zumindest teilweise von dem Musterelement urgeformt wird. Das Musterelement wird insbesondere mit einem Rohmaterial zumindest einer Funktionsschicht gefüllt. Das Rohmaterial wird insbesondere in dem Musterelement zumindest teilweise ausgehärtet, insbesondere durch Beaufschlagung mit Temperatur und/oder UV-Strahlung. Das zumindest teilweise ausgehärtete Rohmaterial nimmt insbesondere die vorgese- hene Strukturierung des Musterelements an und bildet insbesondere zumindest teilweise die Funktionsschicht aus. Das zur Urformung verwendete Musterelement ist insbesondere als eine Matrize ausgebildet. Hierdurch kann eine besonders präzise Strukturierung erfolgen. Es wird ferner vorgeschlagen, dass die zumindest eine Funktionsschicht von dem Musterelement auf eine Grundschicht aufgebracht wird. Die Grundschicht kann dabei insbesondere ein Substrat sein, welches in zumindest einem Verfahrensschritt entfernt wird oder zumindest teilweise eine Funktionsschicht ausbildet. Das Musterelement wird, insbesondere zusammen mit einem insbesondere zumindest teilweise ausgehärteten Rohmaterial der Funktionsschicht, auf/an die Grundschicht, insbesondere unter Temperaturbeaufschlagung, angepresst, wodurch sich das insbesondere zumindest teilweise ausgehärtete Rohmaterial mit der Grundschicht verbindet und insbesondere zumindest teilweise eine Funktionsschicht ausbildet. Alternativ ist es denkbar, dass die Grundschicht auf das mit dem Rohmaterial der Funktionsschicht versehene Musterelement aufgebracht wird, wie beispielsweise durch einen Druck-, insbesondere Siebdruck-, und/oder durch einen Gieß- und/oder Extrusionsprozess. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Funktionsschicht zumindest teilweise als zumindest eine Elektrodenschicht ausgebildet wird. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Funktionsschicht zumindest teilweise als zumindest eine Elektrolytschicht ausgebildet wird. Hierdurch kann insbesondere auf einfache Art und Weise ein Schichtaufbau einer Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle erfolgen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle vorgeschlagen, welche zumindest eine Funktionsschicht aufweist, welche zumindest eine, insbesondere periodische, lithographische Strukturierung aufweist. Die Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle ist insbesondere als eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) und/oder Hochtemperatur-Elektrolysezelle (SOEC). Vorzugsweise ist die Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle von der Bauart einer Elektrolytträgerzelle, bei welcher eine als Elektrodenschicht ausgebildete Funktionsschicht als Träger weiterer Funktionsschichten, insbesondere Elektrodenschichten, vorgesehen ist. Hierdurch kann insbesondere eine präzise und insbesondere periodische Strukturierung erreicht werden, insbesondere gegenüber selbst-assimilierenden Strukturierungen. Ferner kann insbesondere eine Brennstoffzelle mit einer verbesserten Effizienz bereitgestellt werden.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Strukturierung zumindest eine Unterstruk- turierung aufweist. Die Strukturierung ist insbesondere eine Strukturierung, wel- che zumindest Mikrostrukturelemente aufweist. Ferner weist die Strukturierung insbesondere als Unterstrukturierung zumindest Nanostrukturelemente auf. Hierdurch kann insbesondere eine Oberfläche und/oder Grenzfläche weiter vergrößert werden und vorteilhaft können Transportpfade weiter verbessert werden.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Strukturierung eine Oberfläche und/oder eine Grenzfläche der Funktionsschicht zumindest um den Faktor zwei, insbesondere zumindest um den Faktor drei und bevorzugt zumindest um den Faktor vier, vergrößert.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Strukturierung zumindest teilweise lamellenartig, zylinderartig, pyramidenartig und/oder kugelsegmentartig ist. Hierdurch kann eine besonders gezielte Strukturierung insbesondere zur Fluidleitung erreicht werden.
Das Verfahren sowie die Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können das Verfahren sowie die Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Verfahrensschritte, Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln be- trachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle in einer perspektivischen Ansicht, Fig. 2 einen Teil eines Funktionsschichtpakets der Brennstoffzelle in einer Schnittdarstellung,
Fig. 3 a-d beispielhafte lithographische Strukturierungen einer Funktionsschicht des Funktionsschichtpakets in einer perspektivischen Ansichten,
Fig. 4 einen schematischen Ablaufplan eines Verfahrens zur Herstellung der Brennstoffzelle,
Fig. 5 a, b einen beispielhaften Umformschritt des Verfahrens zur Herstellung der Brennstoffzelle,
Fig. 6 einen Teil eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzelle in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 7 eine beispielhafte lithographische Strukturierung einer Funktionsschicht eines Funktionsschichtpakets der Brennstoffzelle aus Fig. 6 in einer perspektivischen Ansicht, Fig. 8 einen schematischen Ablaufplan eines alternativen Verfahrens zur Herstellung der Brennstoffzelle aus Fig. 6,
Fig. 9 einen beispielhaften Urformschritt des Verfahrens zur Herstellung der Brennstoffzelle aus Fig. 6 und
Fig. 10 einen schematischen Ablaufplan eines weiteren alternativen
Verfahrens zur Herstellung der Brennstoffzelle aus Fig. 6.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt eine Brennstoffzelle 10a in einer perspektivischen Ansicht. Die Brennstoffzelle 10a ist als eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle ausgebildet. Ferner ist die Brennstoffzelle 10a eine Tubulare-Brennstoffzelle. Ein Funktionsschichtpaket 12a bildet die Brennstoffzelle 10a zumindest zu einem Großteil aus. Die Brennstoffzelle 10a weist einen Tubus 34a auf, an welchem das Funktionsschichtpaket 12a angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Funktions- schichtpaket 12a auch Teil einer Elektrolysezelle sein und diese insbesondere zumindest zu einem Großteil ausbilden. Ferner könnte die Brennstoffzelle Bipolarplatten aufweisen, zwischen welchen das Funktionsschichtpaket angeordnet sein könnte. Fig. 2 zeigt einen Teil des Funktionsschichtpakets 12a der Brennstoffzelle 10a in einer Schnittdarstellung. Das Funktionsschichtpaket 12a weist eine erste Funktionsschicht 22a auf. Die erste Funktionsschicht 22a ist eine Elektrodenschicht, und zwar insbesondere eine Anodenschicht. Ferner weist das Funktionsschicht- paket 12a eine zweite Funktionsschicht 24a auf. Die zweite Funktionsschicht 24a ist eine Elektrolytschicht. Zudem weist das Funktionsschichtpaket 12a eine dritte Funktionsschicht 26a auf. Die dritte Funktionsschicht 26a ist eine weitere Elektrodenschicht, und zwar insbesondere eine Kathodenschicht. Die zweite Funktionsschicht 24a ist zwischen der ersten Funktionsschicht 22a und der dritten Funktionsschicht 26a angeordnet. Die zweite Funktionsschicht 24a kontaktiert die erste Funktionsschicht 22a und ist insbesondere stoffschlüssig mit dieser verbunden. Die zweite Funktionsschicht 22a kontaktiert die dritte Funktionsschicht 26a und ist insbesondere stoffschlüssig mit dieser verbunden. Die erste Funktionsschicht 22a besteht zumindest teilweise, vorzugsweise zumindest zu einem Großteil und besonders bevorzugt vollständig aus einer Keramik, insbesondere aus einem Verbundstoff von Nickeloxid und yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid. Die zweite Funktionsschicht 24a besteht zumindest teilweise aus einer Keramik, insbesondere aus yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid (YSZ). Alternativ oder zusätzlich könnte die zweite Funktionsschicht 24a zumindest teilweise aus scandiumstabilisiertem Zirkoniumoxid (ScSZ) und/oder gadoliniumstabilisiertem Ceriumoxid (CGO) bestehen. Die dritte Funktionsschicht 26a besteht zumindest teilweise aus einem Perowskitmaterial, wie beispielsweise LSC oder LSCF. Alternativ oder zusätzlich kann die dritte Funktionsschicht 26a zumindest teilweise aus einer Keramik, wie beispielsweise yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid, bestehen.
Das Funktionsschichtpaket 12a weist eine lithographische Strukturierung 14a auf. Im vorliegenden Fall ist eine Grenzfläche 32a der ersten Funktionsschicht 22a, welche insbesondere an die zweite Funktionsschicht 24a grenzt, mit der lithographischen Strukturierung 14a versehen. Ferner ist eine Grenzfläche 33a der zweiten Funktionsschicht 24a, welche insbesondere an die dritte Funktionsschicht 26a grenzt, mit einer lithographischen Strukturierung 14a versehen. In Fig. 3 sind beispielhaft verschiedene lithographische Strukturierungen 14a des Funktionsschichtpakets 12a dargestellt. Die Strukturierung 14a vergrößert Grenzflächen 32a des Funktionsschichtpakets 12a, insbesondere der jeweiligen Grenzflächen 32a, 33a der Funktionsschichten 22a, 24a, 26a, zumindest um den Fak- tor zwei. Die Strukturierung 14a weist höchstens Mikrostrukturelemente 18a auf.
Die Mikrostrukturelemente 18a können lamellenartig, zylinderartig, kegelartig, pyramidenartig und/oder kugelsegmentartig ausgebildet sein. Insbesondere kann die Strukturierung 14a verschiedenartig ausgebildete Mikrostrukturelemente 18a aufweisen.
In Fig. 4 ist ein schematischer Ablaufplan eines Verfahrens zur Herstellung der Brennstoffzelle 10a dargestellt. Ferner eignet sich das Verfahren in gleicher Weise zur Herstellung einer Elektrolysezelle. In dem Verfahren wird das Funktionsschichtpaket 12a zumindest teilweise lithographisch strukturiert. Im vorliegenden Fall wird das Funktionsschichtpaket 12a und werden insbesondere die Funktionsschichten 22a, 24a, 26a mittels eines Siebdruckverfahrens auf eine Grundschicht 28a aufgebracht. Die Grundschicht 28a ist ein insbesondere entfernbares Substrat. Die Grundschicht 28a ist eine Folie. Die Grundschicht 28a besteht zumindest teilweise aus Papier. Die Grundschicht 28a ist unter dem Handelsnamen Trucal bekannt. Das Funktionsschichtpaket 12a wird zumindest teilweise bei einer Strukturierung 14a umgeformt.
Das Verfahren weist zumindest einen Verfahrensschritt 36a auf. In dem Verfahrensschritt 36a wird zumindest teilweise die erste Funktionsschicht 22a herge- stellt. Dazu wird ein Rohmaterial der ersten Funktionsschicht 22a auf die Grundschicht 28a aufgebracht. Ferner wird die erste Funktionsschicht 22a mit einer Strukturierung 14a versehen. Das Rohmaterial der ersten Funktionsschicht 22a ist eine Paste und/oder ein Schlicker. Das Rohmaterial der ersten Funktionsschicht 22a wird zumindest teilweise mittels eines Musterelements 20a umge- formt. Der Umformungsprozess ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Das Musterelement 20a entspricht zumindest im Wesentlichen einem Abbild einer vorgesehenen Strukturierung 14a der ersten Funktionsschicht 22a. Im vorliegenden Fall ist das Musterelement als ein Stempel ausgebildet. Die Umformung findet in einem noch zumindest teilweisen viskosen Zustand des Rohmaterials der ersten Funktionsschicht 22a statt. Nach dem Umformen wird das Musterelement 20a von der ersten Funktionsschicht 22a entfernt. Das Rohmaterial der ersten Funktionsschicht 22a wird vor oder nach der Entfern des Musterelements 20a zumindest teilweise ausgehärtet und bildet die erste Funktionsschicht 22a aus. Beispielsweise kann die erste Funktionsschicht 22a durch Temperaturbeaufschla- gung oder auf eine, von einem Fachmann besonders bevorzugte Weise ausgehärtet werden.
Das Verfahren umfasst einen weiteren Verfahrensschritt 38a. In dem weiteren Verfahrensschritt 38a wird die zweite Funktionsschicht 24a auf die erste Funkti- onsschicht 22a aufgebracht. Ein Rohmaterial der zweiten Funktionsschicht 24a wird auf die erste Funktionsschicht 22a aufgebracht. Das Rohmaterial der zweiten Funktionsschicht 24a füllt Kavitäten der Strukturierung 14a der ersten Funktionsschicht 22a aus. Ferner wird die zweite Funktionsschicht 24a mit einer Strukturierung 14a versehen. Dazu wird das Rohmaterial der zweiten Funktionsschicht 24a zumindest teilweise mittels des Musterelements 20a korrespondierend zum vorhergehenden Verfahrensschritt 36a umgeformt.
Das Verfahren umfasst einen weiteren Verfahrensschritt 40a. In dem weiteren Verfahrensschritt 40a wird die dritte Funktionsschicht 26a auf die zweite Funkti- onsschicht 24a aufgebracht. Ein Rohmaterial der dritten Funktionsschicht 26a wird auf die zweite Funktionsschicht 24a aufgebracht. Das Rohmaterial der dritten Funktionsschicht 26a füllt zumindest teilweise Kavitäten der Strukturierung 14a der zweiten Funktionsschicht 26a aus. Das Rohmaterial der dritten Funktionsschicht 26a wird zumindest teilweise ausgehärtet. Das Rohmaterial der dritten Funktionsschicht 26a bildet zumindest teilweise die dritte Funktionsschicht 26a aus.
Das Verfahren umfasst einen weiteren Verfahrensschritt 42a. In dem weiteren Verfahrensschritt 42a wird das Funktionsschichtpaket 12a mit einer Trägereinheit 29a verbunden. Die Trägereinheit 29a ist insbesondere zur Anordnung des Funktionsschichtpakets 12a an dem Tubus 34a der Brennstoffzelle 10a vorgesehen. Dazu wird das Funktionspaket 12a mit einer die Trägereinheit 29a ausbildenden Trägermasse zumindest teilweise umspritzt. Die Trägermasse umfasst zumindest Forsterit. Die Trägermasse ist insbesondere zumindest teilweise porös sinternd. Durch Umspritzen wird die dritte Funktionsschicht 26a mit der Trägereinheit 29a verbunden. Die dritte Funktionsschicht 26a und die Trägereinheit 29a sind insbesondere mittels eines in den jeweiligen Rohmaterialien enthaltenen, insbesondere heißklebenden Binders miteinander stoffschlüssig verbunden. Der Binder um- fasst zumindest Polyvinylbutyral (PVB).
Das Verfahren umfasst einen weiteren Verfahrensschritt 44a. In dem weiteren Verfahrensschritt 44a wird das Funktionsschichtpaket 12a in einem Wasserbad, insbesondere für zumindest eine Zeitdauer von 1 bis 3 Tagen, vorentbindert. Ferner kann durch Kontakt mit Wasser die Grundschicht 28a entfernt werden.
Ferner weist das Verfahren einen weiteren Verfahrensschritt 46a auf. In dem weiteren Verfahrensschritt 46a wird das Funktionsschichtpaket 12a, insbesondere thermisch, entbindert. Ferner wird das Funktionsschichtpaket 12a, insbesondere thermisch, gesintert.
In den Figuren 6 bis 10 sind weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die
Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der Figuren 1 bis 5, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den Figuren 1 bis 5 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der Figuren 6 bis 10 ist der Buch- stabe a durch die Buchstaben b und c ersetzt.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelle 10b. Im vorliegenden Fall ist die Brennstoffzelle 10b als eine Elektrolytträgerzelle ausgebildet. Die Brennstoffzelle 10b weist ein Funktionsschichtpaket 12b auf. Das Funktions- schichtpaket 12b weist eine erste Funktionsschicht 22b auf. Ferner weist das
Funktionsschichtpaket 12b eine zweite Funktionsschicht 24b auf. Zudem weist das Funktionsschichtpaket 12b eine dritte Funktionsschicht 26b auf.
Das Funktionsschichtpaket 12b weist eine lithographische Strukturierung 14b auf. Im vorliegenden Fall ist eine Grenzfläche 32b der ersten Funktionsschicht 22b, welche insbesondere an die zweite Funktionsschicht 24b grenzt, mit der lithographischen Strukturierung 14b versehen. Ferner ist eine weitere Grenzfläche 33b der zweiten Funktionsschicht 24b, welche insbesondere an die dritte Funktionsschicht 26b grenzt, mit einer lithographischen Strukturierung 14b versehen.
In Fig. 7 ist beispielhaft eine lithographische Strukturierung 14b des Funktionsschichtpakets 12b dargestellt. Die Strukturierung 14b vergrößert Grenzflächen 32b, 33b des Funktionsschichtpakets 12b, insbesondere die jeweiligen Grenzflächen 32b, 33b der Funktionsschichten 22b, 24b, 26b, zumindest um den Faktor zwei. Die Strukturierung 14b weist höchstens Mikrostrukturelemente 18b auf. Die
Mikrostrukturelemente 18b sind kugelsegmentartig ausgebildet. Ferner weist die Strukturierung 14b verschiedenartig ausgebildete Mikrostrukturelemente 18b auf, welche eine Unterstruktur, insbesondere ein Raster, ausbilden. Alternativ oder zusätzlich kann die Strukturierung 14b eine Unterstrukturierung 30b aufweisen, welche beispielsweise Nanostrukturelemente umfassen kann.
In Fig. 8 ist ein schematischer Ablaufplan eines Verfahrens zur Herstellung der Brennstoffzelle 10b dargestellt. In dem Verfahren wird das Funktionsschichtpaket 12b zumindest teilweise lithographisch strukturiert. Die Grundschicht 28b ist eine Folie. Eine Grundschicht 28b besteht zumindest teilweise aus yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid. Die Grundschicht 28b bildet zumindest teilweise die zweite Funktionsschicht 24b des Funktionsschichtpakets 12b aus. Die Grundschicht 28b kann beispielsweise foliengegossen oder extrudiert sein. Das Verfahren weist einen Verfahrensschritt 36b auf. In dem Verfahrensschritt
36b wird die zweite Funktionsschicht 24b mit der Strukturierung 14b versehen. Dazu wird die zweite Funktionsschicht 24b zumindest teilweise mittels eines Musterelements 20b urgeformt. Der Urformungsprozess ist schematisch in Fig. 9 dargestellt. Im vorliegenden Fall ist das Musterelement 20b eine Matrize. Das Rohmaterial der zweiten Funktionsschicht 24b wird auf das Musterelement 20b aufgetragen. Ein Rohmaterial der zweiten Funktionsschicht 24b wird von dem Musterelement 20b strukturiert. Die Urformung findet in einem noch zumindest teilweisen viskosen Zustand des Rohmaterials der zweiten Funktionsschicht 24b statt. Das Rohmaterial der zweiten Funktionsschicht 24b wird zumindest teilweise ausgehärtet. Das Musterelement 20b, welches zumindest teilweise mit dem Rohmaterial der zweiten Funktionsschicht 24b gefüllt ist, wird auf zumindest eine Seite der Grundschicht 28b gepresst. Das Rohmaterial der zweiten Funktionsschicht 24b verbindet sich mit der Grundschicht 28b. Das Rohmaterial der zweiten Funktionsschicht 24b bildet zumindest teilweise zusammen mit der Grund- schicht 28b die zweite Funktionsschicht 24b aus. Ferner kann in gleicher Weise in einem weiteren Verfahrensschritt oder in einem gleichen Verfahrensschritt eine weitere Seite der Grundschicht 28b bearbeitet werden.
Das Verfahren weist einen weiteren Verfahrensschritt 38b auf. In dem weiteren Verfahrensschritt 38b werden die erste Funktionsschicht 22b und die zweite
Funktionsschicht 24b auf die dritte Funktionsschicht 26b aufgetragen. Dabei werden Kavitäten der Strukturierung 14b der dritten Funktionsschicht 24b von Rohmaterialien der ersten und der dritten Funktionsschichten 22b, 26b ausgefüllt. Die erste und die zweite Funktionsschicht 22b, 26b könnten alternativ auch durch weitere Abscheidungsprozesse, wie beispielsweise physikalische Gasphasenab- scheidung, Atomlagenbeschichtung, Inkjet, Aerosoljet und/oder Plasmasprühverfahren, aufgebracht werden.
Das Verfahren weist einen weiteren Verfahrensschritt 40b auf. In dem weiteren Verfahrensschritt 40b werden die Funktionsschichten 22b, 24b, 26b getrocknet.
Ferner werden die Funktionsschichten 22b, 24b, 26b entbindert und gesintert.
In Fig. 10 ist ein schematischer Ablaufplan eines weiteren alternativen Verfahrens zur Herstellung der Brennstoffzelle 10b dargestellt. Im vorliegenden Fall wird das Funktionsschichtpaket 12b mittels eines Rolle-zu-Rolle-Verfahrens auf eine
Grundschicht 28b aufgetragen. Vorzugsweise bildet ein Musterelement 20b zumindest teilweise eine Rolle aus, entlang welcher die Grundschicht 28b gefördert wird. Das Verfahren weist einen Verfahrensschritt 36c auf. In dem Verfahrensschritt
36c wird auf zumindest eine Seite der Grundschicht 28b ein Rohmaterial einer zweiten Funktionsschicht 22b aufgebracht. Des Weiteren wird die Grundschicht 28b entlang der Rolle gefördert. Das Rohmaterial einer zweiten Funktionsschicht 24b wird teilweise durch das Musterelement 20b umgeformt und so strukturiert. Ferner kann in gleicher Weise in einem weiteren Verfahrensschritt oder in einem gleichen Verfahrensschritt eine weitere Seite der Grundschicht 28c bearbeitet werden.
Ferner weist das Verfahren die Verfahrensschritte 38c, 40c auf, welche in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel entsprechend beschrieben sind.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle (10a;
10b), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Funktionsschicht (22a-b, 24a-b, 26a-b) zumindest teilweise lithographisch strukturiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (22a-b, 24a-b, 26a-b) wenigstens mit zumindest einer Strukturierung (14a-c) versehen wird, welche höchstens Mikrostrukturelemente (18a; 18b) aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Funktionsschicht (22a-b, 24a-b, 26a-b) zumindest teilweise von einem Musterelement (20a; 20b) strukturiert wird, welches zumindest im Wesentlichen einem Abbild einer vorgesehenen Strukturierung (14a; 14b) entspricht.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (22a, 24a) zumindest teilweise von dem Musterelement (20a) umgeformt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Funktionsschicht (24b) zumindest teilweise von dem Musterelement (20b) urgeformt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (24b) von dem Musterelement (20b) auf eine Grundschicht (28b) aufgebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (22a-c, 26a-c) zumindest teilweise als zumindest eine Elektrodenschicht ausgebildet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
Funktionsschicht (24a-c) zumindest teilweise als zumindest eine Elektrolytschicht ausgebildet wird.
9. Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle, insbesondere hergestellt durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Funktionsschicht (22a-b, 24a-b, 26a-b), welche zumindest eine lithographische Strukturierung (14a; 14b) aufweist.
10. Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (14b) zumindest eine Unterstrukturierung (30b) aufweist.
11. Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (14a; 14b) eine Oberfläche und/oder Grenzfläche (32a; 32b, 33a; 33b) der Funktionsschicht (22a-b, 24a-b, 26a-b) zumindest um den Faktor zwei vergrößert.
12. Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (14a; 14b) zumindest teilweise lamellenartig, zylinderartig, kegelartig, pyramidenartig und/oder kugelsegmentartig ist.
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