WO2022263398A1 - Zellverbund zum kontrollierten leiten reaktiver fluide - Google Patents

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WO2022263398A1
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microporous
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Erhard Hirth
Harald Bauer
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention presented relates to a cell assembly for the controlled conduction of reactive fluids, a manufacturing method for producing the cell assembly, a fuel cell system and an electrolyzer with the cell assembly presented.
  • Fuel cell systems and electrolyzers include i. i.e. R. Cell stacks of cell assemblies of different individual cells, in which reactive fluids are conducted in order to react together in the case of a fuel cell system or to be discharged separately from one another in the case of an electrolyzer.
  • Each individual cell group of a cell stack consists of a large number of different layers.
  • a semi-permeable separating layer e.g. a membrane, which is surrounded on two opposite sides by a catalyst layer.
  • This separating layer can be an ion-conducting polymer layer that is designed to be electronically separating and permeable to water.
  • a gas diffusion electrode consisting of fiber fleece and a microporous layer in the direction of the catalyst layer is used as an intermediary between the macroscopic gas channels and the microscopic flow areas of a cell network.
  • a bipolar plate includes a flow field which, with a plate thickness of e.g. B. 0.1 mm and curved channels manufacturing technology web widths of about 0.1 to 0.2 mm, which are about 0.5 mm apart.
  • Non-woven fabrics have mesh sizes in the range from 0.05 to 0.4 mm.
  • Catalyst particles of a catalyst layer have a size in the range of less than 0.001 mm.
  • a first partial composite made of membrane and catalyst layers (Carbon Coated Membrane CCM) and combined with a second partial composite, the gas diffusion layer (GDL), consisting of carbon backbone (GDB) and microporous layer (MPL).
  • GDL gas diffusion layer
  • GDB carbon backbone
  • MPL microporous layer
  • an intimate bond For the functions of mass transport, electrical conductivity and avoidance of cavities in which water can accumulate, an intimate bond must be created, i.e. the first partial bond must be intimately connected to the second partial bond. This can be done by laminating before inserting between two bipolar plates during stacking or by pressing during a stacking process.
  • the catalyst layer is i. i.e. R. relatively smooth and even, especially if the catalyst layer was produced on a transfer foil and then transferred to the membrane, since the smooth side of the catalyst layer, which was previously on the transfer foil, then faces outwards, which is known as the "decal process” is known.
  • An MPL layer on a GDL is usually "wavy", since the unevenness of a fiber fleece is reproduced with its large tolerances, so that when it is placed on a membrane, a flat bond cannot be achieved.
  • the carbon black used in the MPL and catalyst layer is usually largely identical, so that the MPL surface is wavy but also smooth. It is hardly possible to press against the membrane before stacking, as the GDL fleece yields irregularly. When stacking, it is only possible to press in the area of the respective webs, in the area of the respective gas channels the composite lies loosely. Disclosure of Invention
  • the invention presented serves in particular to provide a robust cell assembly for use in a fuel cell system or an electrolyzer.
  • a cell assembly for the controlled conduction of reactive fluids comprises a membrane with a first side and a second side opposite the first side.
  • a catalyst layer and a microporous layer are arranged on the first side and the second side, the microporous layer and/or the catalyst layer being/are profiled on at least one side in such a way that a surface roughness of the catalyst layer differs from a surface roughness of the microporous layer , so that the catalyst layer and the microporous layer overlap in some areas.
  • a catalyst layer is to be understood as meaning a layer of a cell composite that comprises a material that minimizes a reaction enthalpy of a reaction of fluids flowing through the cell composite.
  • a microporous layer is understood to be a layer of a cell composite that has pores through which fluids conducted from a bipolar plate into the cell composite are directed or guided in a controlled mass flow to or from a respective catalyst layer.
  • profiling or a profiled layer is to be understood as meaning a surface of a layer that has a structure that varies in height in some areas, as is known, for example, from tire profiles.
  • a profiled layer may have a pattern that includes raised and flat areas, such that the raised areas can penetrate flat areas of another layer and vice versa.
  • the cell assembly presented is based on the principle that at least one of the catalyst layers and the microporous layers of a cell assembly is profiled, so that the surface roughness of the microporous layers and the surface roughness of the catalyst layers of the cell assembly differ.
  • the different surface roughnesses mean that the various layers, i.e. the microporous layers and the catalyst layers, form a connection in which the contacting layers overlap in certain areas. This means that, for example, raised areas of a profile of a catalyst layer penetrate into flat areas of a microporous layer and vice versa.
  • the regional superimposition of the catalyst layer and the microporous layer provided according to the invention achieves a uniform connection of the catalyst layer and the microporous layer, so that a continuous and robust contact area is created that reliably prevents delamination.
  • a maximized contact area is achieved between the various layers, which interlock, for example. Due to the prevention of delamination processes by the profiling provided according to the invention, signs of aging in a cell stack, such as overloading of individual zones, are prevented and improvements in electrical contacting and heat dissipation are achieved. Furthermore, accumulations of water in poorly connected zones of a cell assembly are avoided. Accordingly, the cell assembly according to the invention leads to maximized current densities and correspondingly maximized power densities, particularly in fuel cell systems.
  • the cell assembly according to the invention enables a minimization of a contact pressure applied in a cell stack and a resulting simplified construction as well as a minimized installation space requirement and a minimized weight using a compact bracing system or one that is reduced compared to the prior art.
  • the microporous layer is hardened by means of a binder, so that mechanical forces acting on the microporous layer are distributed evenly in the microporous layer.
  • a binder that is used in the production of the microporous layer provided according to the invention such as polyvinylidene fluoride (PVDF), which means that the microporous layer does not remain flexible, as is usual in the prior art when using ductile PTFE, but hardens or becomes rigid, mechanical forces acting on the microporous layer can be distributed evenly in the microporous layer.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • a rigid microporous layer can be used to provide a profiling that is also retained during a pressing or a lamination process and particularly efficiently overlays a layer that has been contacted in each case.
  • a rigid, microporous layer prevents deformation of the profiling and a mechanical force that is provided during compression is not locally damped, but rather is conducted evenly through a corresponding layer, so that the corresponding layer is particularly easy to apply, e.g. by means of a profile roller profiling is. Provision can furthermore be made for the microporous layer to be applied to a carrier layer or, in particular only, to be hardened by the binder.
  • a particularly thin, microporous layer of, for example, 50 ⁇ m thickness can be provided by using a carrier layer, such as a carbon fleece.
  • a so-called “free-standing microporous layer” can be provided that is particularly easy to apply, e.g. by using a profiled decal film or by using a profiling tool. such as a profile roller, is to be profiled.
  • the binder to comprise electrically conductive components and/or mechanically stiffening components and/or hydrophobing agents
  • a particularly efficient electrical contact between the microporous layer and a catalyst layer can be achieved by means of a binder that includes electrically conductive components, such as graphite or carbon black.
  • a particularly stiff microporous layer can be provided by means of mechanically stiffening components, such as short carbon fibers or glass carbon particles, which distributes a mechanical force provided during a compression process particularly evenly within a corresponding cell composite.
  • mechanically stiffening components in a microporous layer that is or was dry-pressed or extruded, for example in a casting process or with low-solvent enable a particularly uniform layer thickness that is particularly easy to profile, for example using a profiling roller.
  • hydrophobing agent such as particles or threads made of polytetrafluoroethylene (PTFE) or silanes
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • silanes an accumulation of water in a cell network and the resulting delamination, in particular due to the formation of water ice, can be minimized.
  • components of a material forming the microporous layer are larger or smaller than components of a material forming the catalyst layer.
  • microporous layer and the catalyst layer Due to different components in the microporous layer and the catalyst layer, which have different sizes, a different profiling, i.e. a different surface roughness of the microporous layer and the catalyst layer can be achieved, so that the microporous layer and the catalyst layer overlap particularly strongly or widely and an intimate connection of the microporous layer and the catalyst layer is achieved.
  • the microporous layer is or is enriched with graphite components and the catalyst layer with soot components.
  • the microporous layer is or becomes enriched with graphite components greater than a threshold value and the catalyst layer with soot components less than a threshold value.
  • the threshold may be lpm.
  • the microporous layer is particularly thick, e.g. with a thickness between 50 ⁇ m and 250 pm, preferably between 100 pm and 200 pm, particularly preferably 150 pm.
  • the presented invention relates to a production method for producing a cell composite.
  • the production method comprises an arrangement step for arranging a microporous layer on a catalyst layer of a membrane, the microporous layer and/or the catalyst layer being profiled on at least one side in such a way that a surface roughness of the catalyst layer differs from a surface roughness of the microporous layer, so that the catalyst layer and the microporous layer is overlapping in some areas.
  • the production method according to the invention serves in particular to produce the cell composite according to the invention.
  • a microporous layer and a catalyst layer are brought into contact with one another or arranged on one another. At least one of the microporous layer and the catalyst layer has a profiling so that the catalyst layer and microporous layer are intimately bonded, with the microporous layer and the catalyst layer overlapping or interlocking in regions.
  • the production method comprises a providing step for providing a material forming the catalyst layer on a film which has a profile structure and/or a providing step for providing a material forming the microporous layer on a film which has a profile structure.
  • the layer can be applied to a profiled foil, which has, for example, a negative of a profile of the layer.
  • a material forming the layer can be pressed onto the film or cast onto the film. After the layer has been pulled off the foil, a profiled layer remains which can be further processed in the method according to the invention.
  • the production method includes a profiling step for profiling the catalyst layer and/or the microporous layer using a profiling tool, and/or a profiling step for profiling the microporous layer by mixing a material forming the microporous layer using a component whose grain size is larger or smaller than the grain size of a component of the catalyst layer.
  • a profiling tool such as a profile roller with a pattern such as a diamond pattern, or any other profiling tool that is technically suitable for generating a profiling, in particular a laser or a stamp
  • macroscopic profiling can be achieved in which particularly rough Surfaces result that overlap accordingly and, as a result, can be heavily interlocked.
  • a microporous layer with a uniform layer thickness of in particular 100 pm with profiling patterns at a distance of in particular 50 pm can be provided, so that the profiling patterns regularly provide particularly rough or deep contact points in addition to a basic roughness, which enable particularly good interlocking or overlapping.
  • the respective components can have, for example, particularly large particles and/or fibers which can be, for example, 5 ⁇ m, preferably 30 ⁇ m in size and can have diameters between 5 ⁇ m and 10 ⁇ m.
  • respective components can protrude at least partially from a surface and "roughen” or structure it accordingly.
  • the number and size distribution of the respective components can be selected in such a way that a predetermined proportion of the surface of, for example, 25% is formed by the respective components that protrude beyond a base area of the surface.
  • the presented invention relates to a fuel cell system with a possible configuration of the presented cell assembly.
  • the presented invention relates to an electrolyzer with a possible configuration of the presented cell assembly.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a possible embodiment of the cell assembly according to the invention
  • FIG. 2 shows a detailed view of two layers of the cell assembly according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a possible embodiment of the manufacturing method according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a possible embodiment of the fuel cell system according to the invention
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a possible embodiment of the electrolyzer according to the invention.
  • the cell composite comprises a membrane 101 with a structure made up of a catalyst layer 103, a microporous layer 105 and an optional carrier layer 107 made of carbon fleece, which is in fluid-conducting contact with a bipolar plate 109.
  • the structure on the membrane 101 can be repeated on a side opposite the catalyst layer 103 , so that two fluids can flow on the membrane 101 Coming together and reacting with each other or being dissipated separately.
  • the catalyst layer 103 and the microporous layer 105 are intimately connected in that the catalyst layer 103 and the microporous layer 105 overlap in a region 111.
  • raised areas 113 of a profiling of the microporous layer 105 enter flat areas 115 of the catalyst layer 103, as is shown in detail in FIG.
  • the profiling can be, for example, a 3D pattern, in particular a diamond pattern, which has been applied to the surface of the microporous layer 105 in some areas or over the entire surface.
  • the microporous layer 105 includes coarse-grained particles 117 that maximize a surface roughness of the microporous layer 105 . Accordingly, the particles 117 also enter the area 111 and ensure a maximized contact area with the catalyst layer 103.
  • the superimposition in region 111 produces a particularly large contact surface in which the catalyst layer 103 and the microporous layer 105 interlock. Accordingly, the catalyst layer 103 and the microporous layer 105 adhere to each other particularly strongly, and the catalyst layer 103 and the microporous layer 105 become difficult to separate.
  • a manufacturing method 300 is shown in FIG.
  • the production method comprises an arrangement step 301 for arranging a microporous layer on a catalyst layer of a membrane, the microporous layer and/or the catalyst layer being profiled in such a way that a surface roughness of the catalyst layer differs from a surface roughness of the microporous layer, so that the catalyst layer and the microporous Layer superimposed in areas.
  • the manufacturing method 300 includes a provision step 303 for providing a material forming the catalyst layer on a foil having a profile structure and/or for providing a die microporous layer-forming material on a film having a profile structure.
  • the production method 300 comprises a profiling step 305 for profiling the catalyst layer and/or the microporous layer by means of a profiling tool, and/or for profiling the microporous layer by mixing a material forming the microporous layer using a component whose grain size is larger or smaller than the grain size of a component of the catalyst layer.
  • FIG. 4 shows a fuel cell system 400 with the cell assembly 100 according to FIG.
  • the fuel cell system is particularly durable and has a high power density.
  • FIG. 5 shows an electrolyzer 500 with the cell assembly 100 according to FIG.
  • the electrolyzer 500 is particularly durable and efficient.

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Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft einen Zellverbund (100) zum kontrollierten Leiten reaktiver Fluide, wobei der Zellverbund (100) eine Membran (101) mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite umfasst, wobei auf der ersten Seite und der zweiten Seite jeweils eine Katalysatorschicht (103) und eine mikroporöse Schicht (105) angeordnet sind, wobei die mikroporöse Schicht (105) und/oder die Katalysatorschicht (103) wenigstens einer Seite derart profiliert ist, dass sich eine Oberflächenrauheit der Katalysatorschicht (103) von einer Oberflächenrauheit der mikroporösen Schicht (105) unterscheidet, sodass die Katalysatorschicht (103) und die mikroporöse Schicht (105) sich bereichsweise überlagern.

Description

Beschreibung
Titel
Zellverbund zum kontrollierten Leiten reaktiver Fluide
Die vorgestellte Erfindung betrifft einen Zellverbund zum kontrollierten Leiten reaktiver Fluide, ein Herstellungsverfahren zur Herstellung des Zellverbunds, ein Brennstoffzellensystem und einen Elektrolyseur mit dem vorgestellten Zellverbund.
Stand der Technik
Brennstoffzellensysteme und Elektrolyseure umfassen i. d. R. Zellstapel von Zellverbünden verschiedener Einzelzellen, in denen reaktive Fluide geleitet werden, um im Falle eines Brennstoffzellensystems zusammen zu reagieren oder im Falle eines Elektrolyseurs getrennt voneinander abgeführt zu werden.
Jeder einzelne Zellverbund eines Zellstapels besteht aus einer Vielzahl verschiedener Schichten. Im Zentrum eines Zellverbunds ist stets eine semipermeable Trennschicht, z.B. eine Membran angeordnet, die auf zwei gegenüberliegenden Seiten von einer Katalysatorschicht umgeben ist. Diese Trennschicht kann eine ionenleitende Polymerschicht sein, die elektronisch trennend und durchlässig für Wasser ausgestaltet ist.
Da jeweilige Zellverbünde über makroskopische Gaskanäle in Bipolarplatten versorgt werden, wird als Vermittler zwischen den makroskopischen Gaskanälen und den mikroskopischen Strömungsbereichen eines Zellverbunds eine Gasdiffusionselektrode bestehend aus Faservlies und mikroporöser Schicht in Richtung Katalysatorschicht verwendet. Eine Bipolarplatte umfasst ein Strömungsfeld, das bei einer Blechdicke von z. B. 0,1mm und gebogenen Kanälen fertigungstechnisch Stegbreiten von ca. 0,1 bis 0,2 mm hat, die voneinander in etwa 0,5 mm entfernt sind.
Faservliese zeigen Maschenweiten im Bereich 0,05 bis 0,4 mm.
Katalysatorpartikel einer Katalysatorschicht zeigen eine Größe im Bereich kleiner 0,001mm.
Fertigungsbedingt wird i. d. R. ein erster Teilverbund aus Membran und Katalysatorschichten (Carbon Coated Membrane CCM) hergestellt und mit einem zweiten Teilverbund, der Gasdiffusionslage (GDL), bestehend aus Carbon- Backbone (GDB) und mikroporöser Schicht (MPL) zusammengelegt.
Für die Funktionen Stofftransport, elektrische Leitfähigkeit und Vermeidung von Hohlräumen, in denen sich Wasser ansammeln kann, muss ein inniger Verbund hergestellt werden, d.h. der erste Teilverbund muss mit dem zweiten Teilverbund innig verbunden werden. Dies kann vor dem Einlegen zwischen zwei Bipolarplatten beim Stapeln durch laminieren erfolgen oder auch bei einem Stapelvorgang durch Verpressen.
Die Katalysatorschicht ist i. d. R. relativ glatt und eben, insbesondere, wenn die Katalysatorschicht auf einer Transferfolie hergestellt und anschließend auf die Membran übertragen wurde, da dann die glatte Seite der Katalysatorschicht, die vorher auf der Transferfolie war, nach außen zeigt, was als sog. „Decal- Prozess“ bekannt ist.
Eine MPL-Auflage auf einer GDL ist in der Regel „wellig“, da Unebenheiten eines Faservlieses mit dessen großen Toleranzen nachgebildet werden, sodass beim Auflegen auf eine Membran kein flächiger Verbund erreicht werden kann. In MPL und Katalysatorschicht verwendeter Ruß ist in der Regel weitgehend identisch, sodass die MPL Oberfläche zwar wellig aber auch glatt ist. Ein Anpressen an die Membran ist vor einem Stapelvorgang kaum möglich, da das GDL Vlies unregelmäßig nachgibt. Beim Stapeln kann nur im Bereich jeweiliger Stege gedrückt werden, im Bereich jeweiliger Gaskanäle liegt der Verbund lose auf. Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Zellverbund, ein Herstellungsverfahren, ein Brennstoffzellensystem und ein Elektrolyseur vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Zellverbund beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, dem erfindungsgemäßen Elektryolseur und dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, einen robusten Zellverbund zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem bzw. einem Elektrolyseur bereitzustellen.
Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Zellverbund zum kontrollierten Leiten reaktiver Fluide vorgestellt. Der Zellverbund umfasst eine Membran mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite. Auf der ersten Seite und der zweiten Seite sind jeweils eine Katalysatorschicht und eine mikroporöse Schicht angeordnet, wobei die mikroporöse Schicht und/oder die Katalysatorschicht wenigstens einer Seite derart profiliert ist bzw. sind, dass sich eine Oberflächenrauheit der Katalysatorschicht von einer Oberflächenrauheit der mikroporösen Schicht unterscheidet, sodass die Katalysatorschicht und die mikroporöse Schicht sich bereichsweise überlagern.
Unter einer Katalysatorschicht ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Lage eines Zellverbunds zu verstehen, die ein Material umfasst, das eine Reaktionsenthalpie einer Reaktion von durch den Zellverbund strömenden Fluiden minimiert. Unter einer mikroporösen Schicht ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Lage eines Zellverbunds zu verstehen, die Poren aufweist, durch die von einer Bipolarplatte in den Zellverbund geleitete Fluide in einem kontrollierten Massenstrom auf eine jeweilige Katalysatorschicht hin- oder weg-geleitet bzw. geführt werden.
Unter einer Profilierung bzw. einer profilierten Schicht ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Oberfläche einer Schicht zu verstehen, die eine Struktur aufweist, die in ihrer Höhenausprägung bereichsweise variiert, wie es bspw. von Reifenprofilen bekannt ist. Insbesondere kann eine profilierte Schicht ein Muster aufweisen, das erhöhte und flache Bereiche umfasst, sodass die erhöhten Bereiche in flache Bereiche einer weiteren Schicht eindringen können und umgekehrt.
Der vorgestellte Zellverbund basiert auf dem Prinzip, dass zumindest eine der Katalysatorschichten und der mikroporösen Schichten eines Zellverbunds profiliert ist, sodass sich eine Oberflächenrauheit der mikroporösen Schichten und eine Oberflächenrauheit der Katalysatorschichten des Zellverbunds unterscheidet. Die unterschiedlichen Oberflächenrauheiten bewirken, dass die verschiedenen Schichten, also die mikroporösen Schichten und die Katalysatorschichten eine Verbindung eingehen, bei der sich die kontaktierenden Schichten bereichsweise überlagern. Dies bedeutet, dass bspw. erhöhte Bereiche eines Profils einer Katalysatorschicht in flache Bereiche einer mikroporösen Schicht eindringen und umgekehrt.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene bereichsweise Überlagerung von Katalysatorschicht und mikroporöser Schicht wird eine gleichmäßige Anbindung der Katalysatorschicht und der mikroporösen Schicht erreicht, sodass ein durchgängiger und robuster Kontaktbereich entsteht, der eine Delamination zuverlässig verhindert. Insbesondere wird durch die unterschiedlichen Oberflächenrauheiten der verschiedenen Schichten des erfindungsgemäßen Zellverbunds eine maximierte Kontaktfläche zwischen den verschiedenen Schichten erreicht, die sich bspw. ineinander verzahnen. Aufgrund der Verhinderung von Delaminationsprozessen durch die erfindungsgemäß vorgesehene Profilierung werden Alterungserscheinungen eines Zellstapels, wie bspw. eine Überlastung einzelner Zonen, verhindert und Verbesserungen bei der elektrischen Kontaktierung und der Wärmeabfuhr erreicht. Ferner werden Wasseransammlungen in schlecht verbundenen Zonen eines Zellverbunds vermieden. Entsprechend führt der erfindungsgemäße Zellverbund insbesondere in Brennstoffzellensystemen zu maximierten Stromdichten und entsprechend maximierten Leistungsdichten.
Weiterhin ermöglicht der erfindungsgemäße Zellverbund eine Minimierung einer in einem Zellstapel anliegenden Anpresskraft und eine dadurch bedingt vereinfachte Konstruktion sowie einen minimierten Bauraumbedarf und ein minimiertes Gewicht unter Verwendung eines kompakten bzw. gegenüber dem Stand der Technik reduzierten Verspannsystems.
Es kann vorgesehen sein, dass die mikroporöse Schicht mittels eines Bindemittels gehärtet ist, sodass auf die mikroporöse Schicht einwirkende mechanische Kräfte sich gleichmäßig in der mikroporösen Schicht verteilen.
Mittels eines Bindemittels, das bei der Herstellung der erfindungsgemäß vorgesehenen mikroporösen Schicht verwendet wird, wie bspw. Polyvinylidenfluorid (PVDF), das dazu führt, dass die mikroporöse Schicht nicht, wie im Stand der Technik üblich bei Verwendung von duktilem PTFE, flexibel bleibt, sondern aushärtet bzw. starr wird, kann erreicht werden, dass auf die mikroporöse Schicht einwirkende mechanische Kräfte sich gleichmäßig in der mikroporösen Schicht verteilen. Entsprechend kann mittels einer starren mikroporösen Schicht eine Profilierung bereitgestellt werden, die auch bei einer Verpressung bzw. einem Laminierungsprozess erhalten bleibt und besonders effizient eine jeweils kontaktierte Schicht überlagert. Mit anderen Worten wird durch eine starre mikroporöse Schicht eine Verformung der Profilierung verhindert und eine mechanische Kraft, die bei einer Verpressung bereitgestellt wird, nicht lokal gedämpft, sondern gleichmäßig durch eine entsprechende Schicht geleitet, sodass die entsprechende Schicht besonders einfach bspw. mittels einer Profilwalze zu profilieren ist. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die mikroporöse Schicht auf einer Trägerschicht aufgebracht ist oder, insbesondere lediglich, durch das Bindemittel gehärtet ist.
Durch Verwendung einer Trägerschicht, wie bspw. einem Carbonflies, kann eine besonders dünne mikroporöse Schicht von bspw. 50pm Dicke bereitgestellt werden.
Durch Verwendung einer mikroporösen Schicht, die durch ein Bindemittel gehärtet ist, also ohne Trägerschicht hergestellt ist, kann eine sog. „freistehende mikroporöse Schicht“ bereitgestellt werden, die besonders einfach, bspw. durch Verwendung einer profilierten Decal-Folie oder durch Verwendung eines Profilierungswerkzeugs, wie bspw. einer Profilwalze, zu profilieren ist.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Bindemittel elektrisch leitende Komponenten und/oder mechanisch aussteifende Komponenten und/oder Hydrophobierungsmittel umfasst
Mittels eines Bindemittels, das elektrisch leitende Komponenten, wie bspw. Graphit oder Ruß umfasst, kann eine besonders effiziente elektrische Kontaktierung zwischen der mikroporösen Schicht und einer Katalysatorschicht erreicht werden.
Mittels mechanisch aussteifender Komponenten, wie bspw. Carbon- Kurzfasern oder Glascarbonpartikeln, kann eine besonders steife mikroporöse Schicht bereitgestellt werden, die eine bei einem Verpressungsprozess bereitgestellte mechanische Kraft besonders gleichmäßig innerhalb eines entsprechenden Zellverbunds verteilt. Insbesondere ermöglichen mechanisch aussteifende Komponenten in einer mikroporösen Schicht, die bspw. einem Giessprozess oder durch lösemittelarmes trocken gepresst oder extrudiert wird bzw. wurde, eine besonders gleichmäßig Schichtdicke, die besonders einfach, bspw. unter Verwendung einer Profilierungswalze, zu profilieren ist.
Mittels eines Hydrophobierungsmittels, wie bspw. Partikeln oder Fäden aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Silanen, kann ein akkumulieren von Wasser in einem Zellverbund und eine dadurch bedingte Delaminierung, insbesondere durch Wassereisbildung, minimiert werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass Komponenten eines die mikroporöse Schicht bildenden Materials größer oder kleiner sind als Komponenten eines die Katalysatorschicht bildenden Materials.
Durch unterschiedliche Komponenten in der mikroporösen Schicht und der Katalysatorschicht, die eine unterschiedliche Größe haben, kann eine unterschiedliche Profilierung, d.h. eine unterschiedliche Oberflächenrauheit der mikroporösen Schicht und der Katalysatorschicht erreicht werden, sodass sich die mikroporöse Schicht und die Katalysatorschicht besonders stark bzw. weit überlagern und eine innige Verbindung der mikroporösen Schicht und der Katalysatorschicht erreicht wird. Bspw. kann vorgesehen sein, dass die mikroporöse Schicht mit Graphitkomponenten und die Katalysatorschicht mit Rußkomponenten angereichert ist bzw. wird.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass wenigstens einige der Komponenten des die mikroporöse Schicht bildenden Materials um mindestens einen Faktor 2, bevorzugt mindestens einen Faktor 5, besonders bevorzugt mindestens einen Faktor 10 größer sind als die Komponenten des die Katalysatorschicht bildenden Materials.
Bspw. kann vorgesehen sein, dass die mikroporöse Schicht mit Graphitkomponenten größer einem Schwellenwert und die Katalysatorschicht mit Rußkomponenten kleiner einem Schwellenwert angereichert ist bzw. wird. Insbesondere kann der Schwellenwert lpm sein.
Um ein Einbringen von besonders großen Komponenten, wie bspw. 5pm, bevorzugt 30pm großen Graphitpartikeln oder Graphitfasern mit Durchmessern zwischen 5pm und lOpm in die mikroporöse Schicht zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass die mikroporöse Schicht besonders dick, bspw. in einer Dicke zwischen 50pm und 250pm, bevorzugt zwischen lOOpm und 200pm, besonders bevorzugt von 150pm ausgestaltet wird. In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Zellverbunds. Das Herstellungsverfahren umfasst einen Anordnungsschritt zum Anordnen einer mikroporösen Schicht auf einer Katalysatorschicht einer Membran, wobei die mikroporöse Schicht und/oder die Katalysatorschicht wenigstens einer Seite derart profiliert ist, dass sich eine Oberflächenrauheit der Katalysatorschicht von einer Oberflächenrauheit der mikroporösen Schicht unterscheidet, sodass die Katalysatorschicht und die mikroporöse Schicht sich bereichsweise überlagern.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren dient insbesondere zur Herstellung des erfindungsgemäßen Zellverbunds.
Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren werden eine mikroporöse Schicht und eine Katalysatorschicht miteinander in Kontakt gebracht bzw. aneinander angeordnet. Dabei weist zumindest eine der mikroporösen Schicht und der Katalysatorschicht eine Profilierung auf, sodass eine innige Verbindung von Katalysatorschicht und mikroporöser Schicht entsteht, bei der sich die mikroporöse Schicht und die Katalysatorschicht bereichsweise überlagern bzw. ineinander eingreifen bzw. sich gegenseitig verzahnen.
Es kann vorgesehen sein, dass das Herstellungsverfahren einen Bereitstellungsschritt zum Bereitstellen eines die Katalysatorschicht bildenden Materials auf einer Folie, die eine Profilstruktur aufweist, und/oder einen Bereitstellungsschritt zum Bereitstellen eines die mikroporöse Schicht bildenden Materials auf einer Folie, die eine Profilstruktur aufweist, umfasst.
Zum Erzeugen einer Profilierung einer Schicht, wie bspw. einer mikroporösen Schicht oder einer Katalysatorschicht, kann die Schicht auf einer profilierten Folie, die bspw. ein Negativ eines Profils der Schicht aufweist, aufgebracht werden. Dazu kann ein die Schicht bildendes Material auf die Folie gepresst bzw. auf die Folie gegossen werden. Nach Abziehen der Schicht von der Folie bleibt eine profilierte Schicht, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren weiterverarbeitet werden kann. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Herstellungsverfahren einen Profilierungsschritt zum Profilieren der Katalysatorschicht und/oder der mikroporösen Schicht mittels eines Profilierungswerkzeugs, und/oder einen Profilierungsschritt zum Profilieren der mikroporösen Schicht durch Mischen eines die mikroporöse Schicht bildenden Materials unter Verwendung einer Komponente deren Körnung größer oder kleiner ist als die Körnung einer Komponente der Katalysatorschicht, umfasst.
Unter Verwendung eines Profilierungswerkzeugs, wie bspw. einer Profilwalze mit einem Muster, wie bspw. einem Rautenmuster, oder jedem weiteren technisch zum Erzeugen einer Profilierung geeigneten Profilierungswerkzeug, insbesondere einem Laser oder einem Stempel, kann eine makroskopische Profilierung erreicht werden, bei der sich besonders raue Oberflächen ergeben, die sich entsprechend weit überlagern und, dadurch bedingt, stark verzahnen lassen. Bspw. kann eine mikroporöse Schicht mit gleichmäßiger Schichtdicke von insbesondere lOOpm mit Profilierungsmustern im Abstand von insbesondere 50pm bereitgestellt werden, sodass die Profilierungsmuster regelmäßig zusätzlich zu einer Grundrauheit besonders raue bzw. tiefe Kontaktpunkte bereitstellen, die eine besonders gute Verzahnung bzw. Überlagerung ermöglichen.
Unter Verwendung von Materialien unterschiedlicher Körnung kann eine mikroskopische Profilierung erreicht werden, bei der sich eine besonders weit verteilte Rauheit einer entsprechenden Oberfläche ergibt, sodass eine besonders große Kontaktfläche entsteht, in der sich jeweilige Schichten überlagern. Dabei können jeweilige Komponenten bspw. besonders große Partikel und/oder Fasern aufweisen, die bspw. 5pm, bevorzugt 30pm groß sein können und Durchmesser zwischen 5pm und lOpm aufweisen können. Entsprechend können jeweilige Komponenten zumindest tlw. aus einer Oberfläche herausragen und diese entsprechend „aufrauen“ bzw. strukturieren. Dabei kann eine Anzahl und Größenverteilung jeweiliger Komponenten derart gewählt werden, dass ein vorgegebener Anteil der Oberfläche von bspw. 25% durch jeweilige Komponenten gebildet wird, die über eine Basisfläche der Oberfläche überstehen. In einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Zellverbunds.
In einem vierten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung einen Elektrolyseur mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Zellverbunds.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Zellverbunds,
Figur 2 eine Detailansicht zweier Schichten des Zellverbunds gemäß Figur 1,
Figur 3 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
Figur 4 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Figur 5 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Elektrolyseurs.
In Figur 1 ist ein Zellverbund 100 dargestellt. Der Zellverbund umfasst eine Membran 101 mit einem Aufbau aus einer Katalysatorschicht 103, einer mikroporöse Schicht 105 und einer optionalen Trägerschicht 107 aus Carbonflies, die mit einer Bipolarplatte 109 in fluidleitendem Kontakt steht.
Der Aufbau auf der Membran 101 kann sich auf einer der Katalysatorschicht 103 gegenüberliegenden Seite wiederholen, sodass an der Membran 101 zwei Fluide Zusammenkommen und miteinander reagieren bzw. getrennt abgeführt werden können.
Erfindungsgemäß sind die Katalysatorschicht 103 und die mikroporöse Schicht 105 innig Verbunden, indem sich die Katalysatorschicht 103 und die mikroporöse Schicht 105 in einem Bereich 111 überlagern.
Im Bereich 111 treten erhöhte Bereiche 113 einer Profilierung der mikroporösen Schicht 105 in flache Bereiche 115 der Katalysatorschicht 103 ein, wie es in Figur 2 detailliert dargestellt ist. Die Profilierung kann bspw. ein 3D-Muster, insbesondere ein Rautenmuster sein, das bereichsweise oder vollflächig auf die Oberfläche der mikroporösen Schicht 105 aufgebracht wurde.
Ferner umfasst die mikroporöse Schicht 105 grobkörnige Partikel 117, die eine Oberflächenrauheit der mikroporösen Schicht 105 maximieren. Entsprechend treten auch die Partikel 117 in den Bereich 111 ein und sorgen für eine maximierte Kontaktfläche mit der Katalysatorschicht 103.
Durch die Überlagerung im Bereich 111 wird eine besonders große Kontaktfläche erzeugt, in der sich die Katalysatorschicht 103 und die mikroporöse Schicht 105 verzahnen. Entsprechend haften die Katalysatorschicht 103 und die mikroporöse Schicht 105 besonders stark aneinander und ein Abtrennen der Katalysatorschicht 103 von der mikroporösen Schicht 105 wird erschwert.
In Figur 3 ist ein Herstellungsverfahren 300 dargestellt. Das Herstellungsverfahren umfasst einen Anordnungsschritt 301 zum Anordnen einer mikroporösen Schicht auf einer Katalysatorschicht einer Membran, wobei die mikroporöse Schicht und/oder die Katalysatorschicht derart profiliert ist, dass sich eine Oberflächenrauheit der Katalysatorschicht von einer Oberflächenrauheit der mikroporösen Schicht unterscheidet, sodass die Katalysatorschicht und die mikroporöse Schicht sich bereichsweise überlagern.
Optional umfasst das Herstellungsverfahren 300 einen Bereitstellungsschritt 303 zum Bereitstellen eines die Katalysatorschicht bildenden Materials auf einer Folie, die eine Profilstruktur aufweist, und/oder zum Bereitstellen eines die mikroporöse Schicht bildenden Materials auf einer Folie, die eine Profilstruktur aufweist.
Weiterhin optional umfasst das Herstellungsverfahren 300 einen Profilierungsschritt 305 zum Profilieren der Katalysatorschicht und/oder der mikroporösen Schicht mittels eines Profilierungswerkzeugs, und/oder zum Profilieren der mikroporösen Schicht durch Mischen eines die mikroporöse Schicht bildenden Materials unter Verwendung einer Komponente deren Körnung größer oder kleiner ist als die Körnung einer Komponente der Katalysatorschicht.
In Figur 4 ist ein Brennstoffzellensystem 400 mit dem Zellverbund 100 gemäß Figur 1 dargestellt.
Aufgrund des erfindungsgemäßen Zellverbunds 100 ist das Brennstoffzellensystem besonders langlebig und zeigt eine hohe Leistungsdichte.
In Figur 5 ist ein Elektrolyseur 500 mit dem Zellverbund 100 gemäß Figur 1 dargestellt.
Aufgrund des erfindungsgemäßen Zellverbunds 100 ist der Elektrolyseur 500 besonders langlebig und effizient.

Claims

Ansprüche
1. Zellverbund (100) zum kontrollierten Leiten reaktiver Fluide, wobei der Zellverbund (100) eine Membran (101) mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite umfasst, wobei auf der ersten Seite und der zweiten Seite jeweils angeordnet sind:
- eine Katalysatorschicht (103),
- eine mikroporöse Schicht (105), wobei die mikroporöse Schicht (105) und/oder die Katalysatorschicht (103) wenigstens einer Seite derart profiliert ist, dass sich eine Oberflächenrauheit der Katalysatorschicht (103) von einer Oberflächenrauheit der mikroporösen Schicht (105) unterscheidet, sodass die Katalysatorschicht (103) und die mikroporöse Schicht (105) sich bereichsweise überlagern.
2. Zellverbund (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroporöse Schicht (105) mittels eines Bindemittels gehärtet ist, sodass auf die mikroporöse Schicht (105) einwirkende mechanische Kräfte sich gleichmäßig in der mikroporösen Schicht (105) verteilen.
3. Zellverbund (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroporöse Schicht (105) auf einer Trägerschicht (107) aufgebracht ist oder durch das Bindemittel gehärtet ist.
4. Zellverbund (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel elektrisch leitende Komponenten und/oder mechanisch aussteifende Komponenten und/oder Hydrophobierungsmittel umfasst.
5. Zellverbund (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Komponenten eines die mikroporöse Schicht (105) bildenden Materials zumindest teilweise größer oder kleiner sind als Komponenten eines die Katalysatorschicht (103) bildenden Materials.
6. Zellverbund (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten des die mikroporöse Schicht (105) bildenden Materials um mindestens einen Faktor 2, bevorzugt mindestens einen Faktor 5, besonders bevorzugt mindestens einen Faktor 10 größer sind als die Komponenten des die Katalysatorschicht (103) bildenden Materials.
7. Zellverbund (100) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten des die mikroporöse Schicht (105) bildenden Materials Graphit mit einer Körnung größer lpm umfassen und die Komponenten des die Katalysatorschicht (103) bildenden Materials Ruß mit einer Körnung kleiner lpm umfassen.
8. Herstellungsverfahren (300) zum Herstellen eines Zellverbunds (100), wobei das Herstellungsverfahren (300) umfasst:
- Anordnen (301) einer mikroporösen Schicht (105) auf einer Katalysatorschicht (103) einer Membran (101), wobei die mikroporöse Schicht (105) und/oder die Katalysatorschicht (103) wenigstens einer Seite derart profiliert ist bzw. sind, dass sich eine Oberflächenrauheit der Katalysatorschicht (103) von einer Oberflächenrauheit der mikroporösen Schicht (105) unterscheidet, sodass die Katalysatorschicht (103) und die mikroporöse Schicht (105) sich bereichsweise überlagern.
9. Herstellungsverfahren (300) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellungsverfahren (300) umfasst:
- Bereitstellen (303) eines die Katalysatorschicht (103) bildenden Materials auf einer Folie, die eine Profilstruktur aufweist, und/oder
- Bereitstellen (303) eines die mikroporöse Schicht (105) bildenden Materials auf einer Folie, die eine Profilstruktur aufweist.
10. Herstellungsverfahren (300) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellungsverfahren (300) umfasst:
- Profilieren (305) der Katalysatorschicht (103) und/oder der mikroporösen Schicht (105) mittels eines Profilierungswerkzeugs, und/oder
- Profilieren (305) der mikroporösen Schicht (105) durch Mischen eines die mikroporöse Schicht (105) bildenden Materials unter Verwendung einer Komponente deren Körnung größer oder kleiner ist als die Körnung einer Komponente der Katalysatorschicht (103).
11. Brennstoffzellensystem (400) mit einem Zellverbund (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
12. Elektrolyseur (500) mit einem Zellverbund (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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