DE102022209933A1 - Mixture of substances, use of a mixture of substances, process for producing a functional body for an electrochemical energy converter and electrochemical energy converter - Google Patents
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Abstract
Stoffgemisch für die Herstellung eines Funktionskörpers (100) für einen elektrochemischen Energiewandler (200), wobei das Stoffgemisch eine erste flüssige Phase, insbesondere Wasser, umfasst. Ferner umfasst das Stoffgemisch eine zweite flüssige Phase, wobei die zweite flüssige Phase nicht-mischbar mit der ersten flüssigen Phase ist. Ferner umfasst das Stoffgemisch eine disperse Phase, wobei die disperse Phase zumindest einen Funktionsstoff des Funktionskörpers (100) aufweist.Mixture of substances for the production of a functional body (100) for an electrochemical energy converter (200), the mixture of substances comprising a first liquid phase, in particular water. Furthermore, the mixture of substances comprises a second liquid phase, wherein the second liquid phase is immiscible with the first liquid phase. The mixture of substances further comprises a disperse phase, wherein the disperse phase has at least one functional substance of the functional body (100).
Description
Stand der TechnikState of the art
Für die Herstellung von Schichten, die entweder die Funktion einer Anode oder einer Kathode in einer Brennstoffzelle erfüllen, können Dispersionen mit definierter Zusammensetzung eingesetzt werden. Die erfolgreiche und reproduzierbare Herstellung der funktionalen Schichten kann direkt mit den rheologischen Eigenschaften (Fließfähigkeit und dynamische Viskosität) der Dispersion verknüpft sein. Eine prozessabhängige Optimierung der rheologischen Eigenschaften, z.B. durch die Erhöhung des Feststoffgehaltes, kann jedoch durch die hohen Preise der Rohstoffe sowie den nicht vorhandenen funktionellen Vorteilen in der finalen Schicht begrenzt sein.Dispersions with a defined composition can be used to produce layers that fulfill either the function of an anode or a cathode in a fuel cell. The successful and reproducible production of the functional layers can be directly linked to the rheological properties (flowability and dynamic viscosity) of the dispersion. However, a process-dependent optimization of the rheological properties, e.g. by increasing the solids content, can be limited by the high prices of the raw materials and the lack of functional advantages in the final layer.
Dispersionen für Anoden und Kathoden sind häufig sehr dünnflüssig. Folglich kann es zu einer mangelhaften Füllung einer Schlitzdüse zum Aufbringen der Dispersion und ferner zu Fehlern in der Schicht, wie z.B. Löcher, Risse, inhomogene Trocknung (schwankende Schichtdicke über die Beschichtungsbreite), Dispersion verläuft über die Soll-Schichtbreite usw. kommen.Dispersions for anodes and cathodes are often very thin. As a result, a slot nozzle for applying the dispersion can be inadequately filled and errors in the layer, such as holes, cracks, inhomogeneous drying (fluctuating layer thickness over the coating width), dispersion extending over the target layer width, etc. can occur.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung zeigt ein Stoffgemisch gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Verwendung eines Stoffgemisches gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10, ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie einen elektrochemischen Energiewandler gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14.The present invention shows a mixture of substances according to the features of claim 1, a use of a mixture of substances according to the features of claim 10, a method according to the features of claim 11 and an electrochemical energy converter according to the features of claim 14.
Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stoffgemisch beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verwendung eines Stoffgemisches, dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiewandler und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.Further features and details of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the mixture of substances according to the invention naturally also apply in connection with the use of a mixture of substances according to the invention, the method according to the invention and the electrochemical energy converter according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is always mutually referenced is or can be taken.
Gemäß einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Stoffgemisch für die Herstellung eines Funktionskörpers für einen elektrochemischen Energiewandler. Das Stoffgemisch umfasst eine erste flüssige Phase. Ferner umfasst das Stoffgemisch eine zweite flüssige Phase, wobei die zweite flüssige Phase nicht-mischbar mit der ersten flüssigen Phase ist. Ferner umfasst das Stoffgemisch eine disperse Phase, wobei die disperse Phase zumindest einen Funktionsstoff oder mehrere Funktionsstoffe des Funktionskörpers aufweist.According to a first aspect, the present invention shows a mixture of substances for producing a functional body for an electrochemical energy converter. The mixture of substances includes a first liquid phase. Furthermore, the mixture of substances comprises a second liquid phase, wherein the second liquid phase is immiscible with the first liquid phase. Furthermore, the mixture of substances comprises a disperse phase, wherein the disperse phase has at least one functional substance or several functional substances of the functional body.
Insbesondere kann das Stoffgemisch auch als Dispersion verstanden werden, wobei insbesondere die erste flüssige Phase, bspw. Wasser, das Dispersionsmedium ist.In particular, the mixture of substances can also be understood as a dispersion, with the first liquid phase, for example water, being the dispersion medium.
Insbesondere kann die erste flüssige Phase auch als eine erste Flüssigkeit des Stoffgemisches verstanden werden. Bspw. ist die erste flüssige Phase Wasser bzw. weist Wasser als einen Stoff auf. Wasser als erste flüssige Phase ist insbesondere besonders kostengünstig. Vorzugsweise ist die erste flüssige Phase ein Reinstoff. Mit anderen Worten kann die erste flüssige Phase nur aus einem Stoff, bspw. Wasser, bestehen.In particular, the first liquid phase can also be understood as a first liquid of the mixture of substances. For example, the first liquid phase is water or has water as a substance. Water as the first liquid phase is particularly particularly cost-effective. The first liquid phase is preferably a pure substance. In other words, the first liquid phase can only consist of one substance, for example water.
Insbesondere kann die zweite flüssige Phase auch als eine zweite Flüssigkeit verstanden werden, wobei die zweite flüssige Phase nicht-mischbar mit der ersten flüssigen Phase ist. Die zweite flüssige Phase kann aus einem Stoff oder mehreren Stoffen bestehen, wobei jeder der mehreren Stoffe jeweils nicht-mischbar mit der ersten flüssigen Phase ist. Vorzugsweise ist die zweite flüssige Phase ein Reinstoff. Mit anderen Worten kann die zweite flüssige Phase nur aus einem Stoff bestehen, bspw. einem aliphatischen Alkohol.In particular, the second liquid phase can also be understood as a second liquid, the second liquid phase being immiscible with the first liquid phase. The second liquid phase can consist of one substance or several substances, each of the several substances being immiscible with the first liquid phase. The second liquid phase is preferably a pure substance. In other words, the second liquid phase can only consist of one substance, for example an aliphatic alcohol.
Es ist insbesondere denkbar, dass die erste flüssige Phase und die zweite flüssige Phase jeweils nur aus einem einzigen Stoff bestehen. Somit kann das Stoffgemisch besonders einfach und/oder kostengünstig sein und ferner können Wechselwirkungen, insbesondere unvorhersehbare Wechselwirkungen, besonders geringgehalten werden.It is particularly conceivable that the first liquid phase and the second liquid phase each consist of only a single substance. The mixture of substances can therefore be particularly simple and/or inexpensive and, furthermore, interactions, in particular unpredictable interactions, can be kept particularly low.
Mit dem Ausdruck „wobei die zweite flüssige Phase nicht-mischbar mit der ersten flüssigen Phase ist“ soll insbesondere ausgedrückt werden, dass bei einer Vermengung der ersten flüssigen Phase mit der zweiten flüssigen Phase sich diese nicht vollständig unter Bildung einer einzigen homogenen Phase mischen.The expression “wherein the second liquid phase is immiscible with the first liquid phase” is intended to express in particular that when the first liquid phase is mixed with the second liquid phase, they do not mix completely to form a single homogeneous phase.
Vorzugsweise besteht das Stoffgemisch für die Herstellung des Funktionskörpers für den elektrochemischen Energiewandler aus der ersten flüssigen Phase, insbesondere Wasser, der zweiten flüssigen Phase, wobei die zweite flüssige Phase nicht-mischbar mit der ersten flüssigen Phase ist, sowie der dispersen Phase, wobei die disperse Phase zumindest einen Funktionsstoff oder mehrere Funktionsstoffe des Funktionskörpers aufweist. Somit kann das Stoffgemisch besonders einfach ausgestaltet und ferner besonders kostengünstig sein.The mixture of substances for the production of the functional body for the electrochemical energy converter preferably consists of the first liquid phase, in particular water, the second liquid phase, the second liquid phase being immiscible with the first liquid phase, and the disperse phase, the disperse Phase has at least one functional substance or several functional substances of the functional body. The mixture of substances can therefore be designed to be particularly simple and also particularly cost-effective.
Dadurch, dass die erste flüssige Phase nicht-mischbar mit der zweiten flüssigen Phase ist, können bei einer Entfernung der ersten flüssigen Phase und der zweiten flüssigen Phase aus dem Stoffgemisch aufgrund auftretender Kapillarkräfte bspw. Schichtfehler besonders vorteilhaft geringgehalten werden bzw. vermieden werden. Der Ausdruck „nicht-mischbar“ kann auch als unmischbar verstanden werden. Die zweite flüssige Phase sammelt sich, ausgehend von den vorherrschenden Wechselwirkungen zwischen der ersten flüssigen Phase und der dispersen Phase, zwischen den Partikeln bzw. Teilchen der dispersen Phase des Stoffgemisches. Die zweite flüssige Phase dient somit insbesondere der Verknüpfung der Partikel bzw. der Teilchen der dispersen Phase. Mit anderen Worten kann die zweite flüssige Phase eine klebstoffartige Wirkung ausbilden.Because the first liquid phase is immiscible with the second liquid phase, when the first liquid phase and the second liquid phase are removed from the substance mixture, layer defects can be particularly advantageously kept to a minimum or avoided due to capillary forces that occur, for example. The term “immiscible” can also be understood as immiscible. The second liquid phase collects, based on the prevailing interactions between the first liquid phase and the disperse phase, between the particles or particles of the disperse phase of the mixture of substances. The second liquid phase therefore serves in particular to link the particles or the particles of the disperse phase. In other words, the second liquid phase can have an adhesive-like effect.
Auf mikrostruktureller Ebene kann durch die Verknüpfung, insbesondere vordefinierte Verknüpfung, der Partikeln bzw. Teilchen der dispersen Phase des Stoffgemisches in dem Stoffgemisch mittels der zweiten flüssigen Phase vorteilhafterweise nur ein geringer Trocknungsschrumpf auftreten, da die zweite flüssige Phase erst verdunsten oder im Wesentlichen erst verdunsten kann, wenn die erste flüssige Phase komplett oder im Wesentlichen komplett entfernt wurde, wobei insbesondere zu diesem Zeitpunkt die (dreidimensionale) Mikrostruktur der Partikel bzw. der Teilchen der dispersen Phase quasi final fixiert ist. Somit kann bspw. bei einer Elektrodenschicht einer Membranelektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle als elektrochemischen Energiewandler eine besonders hohe innere Oberfläche und dadurch eine besonders große Dreiphasengrenze und folglich eine besonders hohe Aktivität erzeugt werden. Damit kann Katalysatormaterial eingespart werden und eine Brennstoffzelle als elektrochemischer Energiewandler besonders kostengünstig sein.At the microstructural level, due to the linking, in particular predefined linking, of the particles or particles of the disperse phase of the mixture of substances in the mixture of substances by means of the second liquid phase, advantageously only a slight drying shrinkage can occur, since the second liquid phase can first evaporate or essentially evaporate , when the first liquid phase has been completely or essentially completely removed, at which point in particular the (three-dimensional) microstructure of the particles or the particles of the disperse phase is virtually finally fixed. Thus, for example, in the case of an electrode layer of a membrane electrode unit for a fuel cell as an electrochemical energy converter, a particularly high inner surface and thereby a particularly large three-phase boundary and consequently a particularly high activity can be generated. This means that catalyst material can be saved and a fuel cell can be particularly cost-effective as an electrochemical energy converter.
Auf makrostruktureller Ebene kann durch die Verknüpfung, insbesondere vordefinierte Verknüpfung, der Partikel bzw. Teilchen der dispersen Phase des Stoffgemisches in dem Stoffgemisch mittels der zweiten flüssigen Phase vorteilhafterweise eine Änderung der makroskopischen Fließeigenschaften des Stoffgemisches erreicht werden. Insbesondere kann das Stoffgemisch im Low-Shear Bereich eine besonders vorteilhafte hohe Viskosität aufweisen, wobei insbesondere gleichzeitig das Stoffgemisch einen scherverdünnenden Charakter aufweist. Durch die besonders vorteilhafte Viskosität und den scherverdünnenden Charakter im Low-Shear Bereich kann bspw. eine Schlitzdüse zum Auftragen des Stoffgemisches auf ein Substrat homogener befüllt werden. Nach dem Austritt aus der Schlitzdüse kann es zu einem plötzlichen Abfall der Scherkräfte kommen und die Viskosität des Stoffgemisches relaxiert in einen Ruhezustand. Somit können ungewollte Verbreiterungen und/oder ein Verlaufen des Stoffgemisches und/oder Risse und/oder inhomogene Schichtdickenverteilungen besonders vorteilhaft geringgehalten bzw. unterbunden werden.On a macrostructural level, by linking, in particular predefined linking, the particles or particles of the disperse phase of the mixture of substances in the mixture of substances by means of the second liquid phase, a change in the macroscopic flow properties of the mixture of substances can advantageously be achieved. In particular, the mixture of substances can have a particularly advantageous high viscosity in the low-shear range, with the mixture of substances, in particular, having a shear-thinning character at the same time. Due to the particularly advantageous viscosity and the shear-thinning character in the low-shear range, a slot nozzle for applying the mixture of substances to a substrate can, for example, be filled more homogeneously. After exiting the slot nozzle, there may be a sudden drop in shear forces and the viscosity of the mixture relaxes to a resting state. In this way, unwanted widening and/or spreading of the mixture of substances and/or cracks and/or inhomogeneous layer thickness distributions can be particularly advantageously kept to a minimum or prevented.
Ferner können durch die Nicht-Mischbarkeit der ersten flüssigen Phase und der zweiten flüssigen Phase des Stoffgemisches Verarbeitungseigenschaften besonders vorteilhaft sein, bspw. kann eine Kantenschärfe besonders hoch sein und/oder kann eine angestrebte Beschichtungsbreite besonders vorteilhaft eingehalten werden und/oder kann eine Einschnürung des Stoffgemisches in einem Schlitzdüsenspalt einer Schlitzdüse zum Auftragen des Stoffgemisches besonders vorteilhaft geringgehalten werden und/oder können Benetzungsstörungen besonders vorteilhaft geringgehalten werden und/oder kann eine Schichtdickenverteilung besonders homogen sein, sodass eine Streifenbildung und/oder eine Wellenbildung in einer Beschichtungsrichtung bzw. eine Wellenbildung quer zur Beschichtungsrichtung besonders geringgehalten werden kann.Furthermore, due to the immiscibility of the first liquid phase and the second liquid phase of the mixture of substances, processing properties can be particularly advantageous, for example edge sharpness can be particularly high and/or a desired coating width can be maintained particularly advantageously and/or a constriction of the mixture of substances can be achieved in a slot nozzle gap of a slot nozzle for applying the mixture of substances can be kept particularly advantageously low and/or wetting disturbances can be kept particularly advantageously low and/or a layer thickness distribution can be particularly homogeneous, so that stripe formation and/or wave formation in a coating direction or wave formation transversely to the coating direction can be kept particularly low.
Vorteilhafterweise können ferner durch das erfindungsgemäße Stoffgemisch und/oder durch das erfindungsgemäße Verfahren somit bspw. Schichtfehler durch ein Trocknen für ein Entfernen der ersten flüssigen Phase und anschließend der zweiten flüssigen Phase besonders vorteilhaft geringgehalten bzw. verhindert werden.Advantageously, the substance mixture according to the invention and/or the method according to the invention can therefore be used to particularly advantageously minimize or prevent layer defects, for example, by drying to remove the first liquid phase and then the second liquid phase.
Ferner kann durch das erfindungsgemäße Stoffgemisch und/oder durch das erfindungsgemäße Verfahren eine offene innere Schichtporosität des Funktionskörpers besonders vorteilhaft hoch sein. Bspw. kann eine aktive Oberfläche einer Elektrodenschicht einer Membranelektrodeneinheit einer Brennstoffzelle besonders hoch sein und/oder kann bspw. eine Gasdiffusionslage einer Brennstoffzelle eine besonders vorteilhafte Gaspermeabilität aufweisen und/oder kann somit bspw. eine Katalysatormenge für eine Elektrodenschicht einer Membranelektrodeneinheit einer Brennstoffzelle besonders geringgehalten werden und/oder kann das Entfernen oder im Wesentlichen Entfernen der ersten flüssigen Phase und der zweiten flüssigen Phase aus dem bereitgestellten Stoffgemisch für das Herstellen des Funktionskörpers durch ein Trocknen besonders schnell erfolgen bei einer gleichzeitig besonders vorteilhaften Qualität des Funktionskörpers.Furthermore, due to the mixture of substances according to the invention and/or due to the method according to the invention, an open inner layer porosity of the functional body can be particularly advantageously high. For example, an active surface of an electrode layer of a membrane electrode unit of a fuel cell can be particularly high and/or, for example, a gas diffusion layer of a fuel cell can have a particularly advantageous gas permeability and/or an amount of catalyst for an electrode layer of a membrane electrode unit of a fuel cell can therefore be kept particularly low and /or the removal or essentially removal of the first liquid phase and the second liquid phase from the mixture of substances provided for producing the functional body can be carried out particularly quickly by drying, while at the same time having a particularly advantageous quality of the functional body.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Stoffgemisch das Stoffgemisch 0,01 bis 20 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,1 bis 15 Gewichtsprozent, ganz vorzugsweise 0,5 bis 12 Gewichtsprozent, der zweiten flüssigen Phase bezogen auf das Gesamtgewicht des Stoffgemisches enthält. Somit kann die Verknüpfung der Partikel bzw. der Teilchen der dispersen Phase durch die zweite flüssige Phase besonders vorteilhaft sein.It can be advantageous if, in the case of a mixture of substances according to the invention, the mixture of substances contains 0.01 to 20 percent by weight, preferably 0.1 to 15 percent by weight, most preferably 0.5 to 12 percent by weight, of the second liquid phase, based on the total weight of the mixture of substances. This allows the linking of the particles or of the particles of the disperse phase through the second liquid phase can be particularly advantageous.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Stoffgemisch die erste flüssige Phase hydrophil ist und die zweite flüssige Phase hydrophob ist oder umgekehrt. Vorteilhafterweise kann somit besonders einfach sichergestellt werden, dass die zweite flüssige Phase nicht-mischbar mit der ersten flüssigen Phase ist. Einen großen Einfluss auf die Mischbarkeit zweier Flüssigkeiten hat ihre Wasserlöslichkeit. Dadurch, dass die erste flüssige Phase bspw. hydrophil ist, bspw. Wasser, und die zweite flüssige Phase hydrophob ist, lassen sich die erste flüssige Phase und die zweite flüssige Phase nicht mischen oder im Wesentlichen nicht mischen. Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Stoffgemisch die zweite flüssige Phase zumindest ein hydrophobes, organisches Lösemittel aufweist, insbesondere aliphatischen Alkohol aufweist, vorzugsweise aus aliphatischem Alkohol besteht, wobei insbesondere der aliphatische Alkohol hydrophob ist. Als aliphatischer Alkohol kann bspw. Octanol eingesetzt werden. Es ist denkbar, dass die zweite flüssige Phase mehrere unterschiedliche aliphatische Alkohole aufweist. Vorzugsweise ist jedoch die zweite flüssige Phase ein Reinstoff. Mit anderen Worten kann die zweite flüssige Phase nur aus einem Stoff wie aus einem aliphatischen Alkohol, bspw. Octanol, bestehen. Somit kann die zweite flüssige Phase besonders kostengünstig sein und/oder ungewollte Wechselwirkungen besonders geringgehalten werden.It can be advantageous if, in a mixture of substances according to the invention, the first liquid phase is hydrophilic and the second liquid phase is hydrophobic or vice versa. Advantageously, it can thus be ensured particularly easily that the second liquid phase is immiscible with the first liquid phase. Their water solubility has a major influence on the miscibility of two liquids. Because the first liquid phase is, for example, hydrophilic, for example water, and the second liquid phase is hydrophobic, the first liquid phase and the second liquid phase cannot be mixed or essentially not mixed. It can be advantageous if, in a mixture of substances according to the invention, the second liquid phase has at least one hydrophobic, organic solvent, in particular aliphatic alcohol, preferably consists of aliphatic alcohol, the aliphatic alcohol in particular being hydrophobic. Octanol, for example, can be used as an aliphatic alcohol. It is conceivable that the second liquid phase has several different aliphatic alcohols. However, the second liquid phase is preferably a pure substance. In other words, the second liquid phase can only consist of a substance such as an aliphatic alcohol, for example octanol. The second liquid phase can therefore be particularly cost-effective and/or unwanted interactions can be kept particularly low.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Stoffgemisch das Stoffgemisch 5 bis 50 Gewichtsprozent, vorzugsweise 20 bis 48 Gewichtsprozent, ganz vorzugsweise 30 bis 45 Gewichtsprozent, der ersten flüssigen Phase bezogen auf das Gesamtgewicht des Stoffgemisches enthält. Somit können die erste flüssige Phase, die zweite flüssige Phase und die disperse Phase besonders vorteilhaft miteinander vermischt werden und das Stoffgemisch kann sich ferner besonders vorteilhaft auf ein Substrat auftragen lassen.It can be advantageous if, in the case of a mixture of substances according to the invention, the mixture of substances contains 5 to 50 percent by weight, preferably 20 to 48 percent by weight, most preferably 30 to 45 percent by weight, of the first liquid phase, based on the total weight of the mixture of substances. The first liquid phase, the second liquid phase and the disperse phase can therefore be mixed with one another particularly advantageously and the mixture of substances can also be particularly advantageously applied to a substrate.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Stoffgemisch das Stoffgemisch 2 bis 40 Gewichtsprozent, vorzugsweise 4 bis 30 Gewichtsprozent, ganz vorzugsweise 5 bis 20 Gewichtsprozent, der dispersen Phase bezogen auf das Gesamtgewicht des Stoffgemisches enthält. Somit können die erste flüssige Phase, die zweite flüssige Phase und die disperse Phase besonders vorteilhaft miteinander vermischt werden und der Funktionskörper kann besonders vorteilhafte Eigenschaften aufweisen.It can be advantageous if, in the case of a mixture of substances according to the invention, the mixture of substances contains 2 to 40 percent by weight, preferably 4 to 30 percent by weight, most preferably 5 to 20 percent by weight, of the disperse phase based on the total weight of the mixture of substances. The first liquid phase, the second liquid phase and the disperse phase can therefore be mixed with one another particularly advantageously and the functional body can have particularly advantageous properties.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Stoffgemisch der Siedepunkt der zweiten flüssigen Phase höher als der Siedepunkt der ersten flüssigen Phase ist. Somit kann besonders vorteilhaft gewährleistet werden, dass die zweite flüssige Phase erst verdunsten oder im Wesentlichen erst verdunsten kann, wenn die erste flüssige Phase komplett oder im Wesentlichen komplett entfernt wurde. Folglich kann die Struktur, insbesondere die Mikrostruktur, der Partikel bzw. der Teilchen der dispersen Phase durch die zweite flüssige Phase besonders lange aufrechterhalten bleiben. Somit kann eine offene innere Schichtporösität bspw. einer Gasdiffusionslage besonders hoch sein und/oder Schichtfehler in dem Funktionskörper bzw. einer Funktionsschicht als Funktionskörper besonders geringgehalten werden und/oder ein Trocknen des Stoffgemisches für ein Entfernen der ersten flüssigen Phase und der zweiten flüssigen Phase besonders schnell erfolgen. Bspw. ist der Siedepunkt von Wasser als erste flüssige Phase bei 100 °C und der Siedepunkt von Octanol als zweite flüssige Phase bei 195 °C. Insbesondere ist der Siedepunkt der zweiten flüssigen Phase 1 K(elvin) bis 150 K(elvin), vorzugsweise 10 K(elvin) bis 130 K(elvin), ganz vorzugsweise 30 K(elvin) bis 100 K(elvin) höher als der Siedepunkt der ersten flüssigen Phase. Je geringer der Unterschied zwischen den Siedepunkten zwischen der ersten flüssigen Phase und der zweiten flüssigen Phase, desto schneller kann das Trocknen somit das Entfernen der ersten flüssigen Phase und gleichzeitig der zweiten flüssigen Phase erfolgen. Je größer der Unterschied zwischen den Siedepunkten zwischen der ersten flüssigen Phase und der zweiten flüssigen Phase, desto besser kann sichergestellt sein, dass die erste flüssige Phase bereits vollständig oder im Wesentlichen vollständig entfernt ist und die Struktur, insbesondere die (dreidimensionale) Mikrostruktur, der Partikel bzw. der Teilchen der dispersen Phase durch die zweite Phase quasi final fixiert ist.It can be advantageous if, in a mixture of substances according to the invention, the boiling point of the second liquid phase is higher than the boiling point of the first liquid phase. It can therefore be particularly advantageously ensured that the second liquid phase can only evaporate or essentially only evaporate when the first liquid phase has been completely or essentially completely removed. Consequently, the structure, in particular the microstructure, of the particles or particles of the disperse phase can be maintained for a particularly long time by the second liquid phase. Thus, an open inner layer porosity, for example of a gas diffusion layer, can be particularly high and/or layer defects in the functional body or a functional layer as a functional body can be kept particularly low and/or the mixture of substances can be dried particularly quickly to remove the first liquid phase and the second liquid phase take place. For example, the boiling point of water as the first liquid phase is 100 °C and the boiling point of octanol as the second liquid phase is 195 °C. In particular, the boiling point of the second liquid phase is 1 K (elvin) to 150 K (elvin), preferably 10 K (elvin) to 130 K (elvin), most preferably 30 K (elvin) to 100 K (elvin) higher than the boiling point the first liquid phase. The smaller the difference between the boiling points between the first liquid phase and the second liquid phase, the faster the drying can take place, thus removing the first liquid phase and at the same time the second liquid phase. The greater the difference between the boiling points between the first liquid phase and the second liquid phase, the better it can be ensured that the first liquid phase has already been completely or essentially completely removed and the structure, in particular the (three-dimensional) microstructure, of the particles or the particles of the disperse phase are virtually finally fixed by the second phase.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Stoffgemisch das Stoffgemisch scherverdünnend ist. Somit kann vorteilhafterweise in das Stoffgemisch eine Scherkraft eingebracht werden, um die Viskosität des bereitgestellten Stoffgemisches für das Auftragen auf das Substrat zu reduzieren, sodass das Stoffgemisch besonders vorteilhaft auf ein Substrat aufgetragen werden kann.It can be advantageous if, in the case of a mixture of substances according to the invention, the mixture of substances is shear-thinning. A shearing force can thus advantageously be introduced into the mixture of substances in order to reduce the viscosity of the mixture of substances provided for application to the substrate, so that the mixture of substances can be applied to a substrate in a particularly advantageous manner.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Stoffgemisch die disperse Phase Karbonfasern und/oder Karbonpartikel, und/oder Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoffpartikel, und/oder Graphitfasern und/oder Graphitpartikel, und/oder Platinpartikel, und/oder Ruß und/oder ein lonomer und/oder einen Alloy Katalysator aufweist. Bspw. kann somit eine Elektrodenschicht bzw. eine Katalysatorschicht bzw. eine Gasdiffusionsschicht bzw. eine mikroporöse Schicht bzw. eine Beschichtung für eine Separatorplatte einer Brennstoffzelle als elektrochemischer Energiewandler hergestellt werden. Das lonomer ist insbesondere ein perfluoriertes Copolymer, das als ionische Gruppe eine Sulfogruppe aufweist und Protonenleitfähigkeit besitzt. Der Alloy Katalysator kann bspw. ein Pt/Co Katalysator (Pt/Co Alloy on High Surface Area Carbon Black (HSCB)) und/oder ein Pt/Ir Katalysator (Platin-Iridium Katalysator) und/oder ein Pt/Ru Katalysator (Platin-Ruthenium Katalysator) sein.It can be advantageous if, in a mixture of substances according to the invention, the disperse phase is carbon fibers and/or carbon particles, and/or carbon fibers and/or carbon particles, and/or graphite fibers and/or graphite particles, and/or platinum particles, and/or soot and/or has an ionomer and/or an alloy catalyst. For example, an electrode layer or a catalyst layer or a gas diffusion layer or a microporous layer or a coating for a separator plate can be one Fuel cells are manufactured as electrochemical energy converters. The ionomer is in particular a perfluorinated copolymer which has a sulfo group as an ionic group and has proton conductivity. The alloy catalyst can, for example, be a Pt/Co catalyst (Pt/Co Alloy on High Surface Area Carbon Black (HSCB)) and/or a Pt/Ir catalyst (platinum-iridium catalyst) and/or a Pt/Ru catalyst (platinum -Ruthenium catalyst).
Gemäß einem zweiten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Stoffgemisches für die Herstellung eines Funktionskörpers für einen elektrochemischen Energiewandler.According to a second aspect, the present invention shows a use of a mixture of substances according to the invention for the production of a functional body for an electrochemical energy converter.
Insbesondere ist der Funktionskörper schichtförmig bzw. plattenförmig ausgestaltet. Bspw. kann der Funktionskörper zumindest eine Elektrodenschicht und/oder eine Katalysatorschicht und/oder eine Gasdiffusionsschicht und/oder eine mikroporöse Schicht und/oder eine Beschichtung (für eine Separatorplatte) eines elektrochemischen Energiewandlers, bspw. einer Brennstoffzelle als elektrochemischer Energiewandler, sein.In particular, the functional body is designed in the form of layers or plates. For example, the functional body can be at least an electrode layer and/or a catalyst layer and/or a gas diffusion layer and/or a microporous layer and/or a coating (for a separator plate) of an electrochemical energy converter, for example a fuel cell as an electrochemical energy converter.
Der elektrochemische Energiewandler ist insbesondere eine Brennstoffzelle oder ein Brennstoffzellenstapel oder ein Elektrolyseur. Die Brennstoffzelle kann bspw. eine Festoxid-Brennstoffzelle oder eine Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle sein.The electrochemical energy converter is in particular a fuel cell or a fuel cell stack or an electrolyzer. The fuel cell can be, for example, a solid oxide fuel cell or a polymer electrolyte membrane fuel cell.
Die Verwendung des Stoffgemisches gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Stoffgemisch gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.The use of the mixture of substances according to the second aspect of the invention therefore has the same advantages as have already been described for the mixture of substances according to the first aspect of the invention.
Gemäß einem dritten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Verfahren für die Herstellung eines Funktionskörpers für einen elektrochemischen Energiewandler. Das Verfahren umfasst als einen Schritt ein Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Stoffgemisches. Ferner umfasst das Verfahren als einen weiteren Schritt ein Auftragen des bereitgestellten Stoffgemisches auf ein Substrat. Ferner umfasst das Verfahren als einen weiteren Schritt ein Entfernen oder im Wesentlichen Entfernen der ersten flüssigen Phase und der zweiten flüssigen Phase aus dem aufgetragenen Stoffgemisch für das Herstellen des Funktionskörpers.According to a third aspect, the present invention shows a method for producing a functional body for an electrochemical energy converter. The method comprises, as one step, providing a mixture of substances according to the invention. Furthermore, the method includes, as a further step, applying the mixture of substances provided to a substrate. Furthermore, the method includes, as a further step, removing or essentially removing the first liquid phase and the second liquid phase from the applied mixture of substances for producing the functional body.
Die zuvor und die im Nachfolgenden beschriebenen Verfahrensschritte können, sofern technisch sinnvoll, einzeln, zusammen, einfach, mehrfach, zeitlich parallel und/oder nacheinander in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden.The method steps described above and those described below can, if technically sensible, be carried out individually, together, simply, multiple times, in parallel and/or one after the other in any order.
Für das Bereitstellen des Stoffgemisches können die erste flüssige Phase, insbesondere Wasser, die zweite flüssige Phase, bspw. Octanol, wobei die zweite flüssige Phase nicht-mischbar mit der ersten flüssigen Phase ist, sowie die disperse Phase, wobei die disperse Phase zumindest einen Funktionsstoff oder mehrere Funktionsstoffe des Funktionskörpers aufweist, gemischt werden. Ferner kann das Stoffgemisch definiert bereitgestellt werden, bspw. mit einer bestimmten Temperatur und/oder einer bestimmten Viskosität.To provide the mixture of substances, the first liquid phase, in particular water, the second liquid phase, for example octanol, where the second liquid phase is immiscible with the first liquid phase, and the disperse phase, where the disperse phase has at least one functional substance or has several functional substances of the functional body. Furthermore, the mixture of substances can be provided in a defined manner, for example with a specific temperature and/or a specific viscosity.
Das Auftragen des Stoffgemisches auf das Substrat kann mittels einer Auftrageeinheit, bspw. einer Schlitzdüse mit einem Schlitzdüsenspalt und/oder einer Siebdruckeinheit und/oder einer Rakeleinheit, einer Auftragevorrichtung erfolgen. Mittels einer Schlitzdüse als Auftrageeinheit kann ein schichtförmiger Funktionskörper besonders einfach hergestellt werden.The substance mixture can be applied to the substrate by means of an application unit, for example a slot nozzle with a slot nozzle gap and/or a screen printing unit and/or a doctor blade unit, an application device. Using a slot nozzle as an application unit, a layered functional body can be produced particularly easily.
Das Substrat, auf welches das bereitgestellte Stoffgemisch aufgetragen wird, kann ein Bauteil, bspw. des elektrochemischen Energiewandlers, selbst sein, bspw. eine Membranschicht bzw. eine Membranfolie einer Membranelektrodeneinheit einer Brennstoffzelle als elektrochemischer Energiewandler. Es ist auch denkbar, dass das Substrat ein Übergangskörper, bspw. eine Trägerfolie, für ein übergangsweises Tragen des aufgetragenen Stoffgemisches ist und nach dem Entfernen oder im Wesentlichen Entfernen der ersten flüssigen Phase und der zweiten flüssigen Phase aus dem bereitgestellten Stoffgemisch der hergestellte Funktionskörper, bspw. eine Gasdiffusionslage, von dem Übergangskörper getrennt wird.The substrate onto which the mixture of substances provided is applied can be a component, for example of the electrochemical energy converter itself, for example a membrane layer or a membrane film of a membrane electrode unit of a fuel cell as an electrochemical energy converter. It is also conceivable that the substrate is a transition body, for example a carrier film, for a temporary support of the applied mixture of substances and after the removal or essentially removal of the first liquid phase and the second liquid phase from the mixture of substances provided, the produced functional body, for example . a gas diffusion layer from which the transition body is separated.
Mit dem Ausdruck „im Wesentlichen Entfernen der ersten flüssigen Phase und der zweiten flüssigen Phase aus dem aufgetragenen Stoffgemisch für das Herstellen des Funktionskörpers“ soll ausgedrückt werden, dass es herstellungstechnisch sein kann, dass ggf. Reste der ersten flüssigen Phase und/oder Reste der zweiten flüssigen Phase in dem Funktionskörper zurückbleiben.The expression “essentially removing the first liquid phase and the second liquid phase from the applied mixture of substances for producing the functional body” is intended to express that, in terms of manufacturing technology, it may be possible that residues of the first liquid phase and/or residues of the second liquid phase remains in the functional body.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Entfernen oder das im Wesentlichen Entfernen der ersten flüssigen Phase und der zweiten flüssigen Phase aus dem bereitgestellten Stoffgemisch für das Herstellen des Funktionskörpers durch ein Trocknen, insbesondere durch ein Trocknen mittels aktiver Erwärmung, erfolgt. Somit kann das Entfernen bzw. das im Wesentlichen Entfernen der ersten flüssigen Phase und der zweiten flüssigen Phase besonders einfach erfolgen. Bspw. kann das Trocknen mittels aktiver Erwärmung durch eine Heizvorrichtung mit einem Heizelement erfolgen. Die Heizvorrichtung kann dazu ausgebildet sein, das Heizelement derart zu kontrollieren, dass das auf das Substrat aufgetragene Stoffgemisch zuerst, insbesondere für eine bestimmte Zeitdauer, auf eine erste Temperatur gebracht wird, um nur oder im Wesentlichen nur die erste flüssige Phase vollständig oder im Wesentlichen vollständig zu verdampfen und anschließend das auf das Substrat aufgetragene Stoffgemisch, insbesondere für eine bestimmte Zeitdauer, auf eine zweite Temperatur zu bringen, um die zweite flüssige Phase vollständig oder im Wesentlichen vollständig zu verdampfen zum Herstellen des Funktionskörpers. Insbesondere ist die erste Temperatur eine Temperatur, welche größer gleich ist als der Siedepunkt der ersten flüssigen Phase, bspw. 100 °C bei Wasser als erste flüssige Phase, und geringer ist als der Siedepunkt der zweiten flüssigen Phase, bspw. 195 °C bei Octanol als zweite flüssige Phase. Die zweite Temperatur ist insbesondere eine Temperatur, welche größer gleich ist als der Siedepunkt der zweiten flüssigen Phase.It can be advantageous if, in a method according to the invention, the removal or essentially removal of the first liquid phase and the second liquid phase from the mixture of substances provided for producing the functional body is carried out by drying, in particular by drying using active heating. The removal or essentially removal of the first liquid phase and the second liquid phase can therefore be carried out particularly easily. For example, drying can be carried out by means of active heating by a heating device with a heating element. The heating device can be designed to close the heating element in this way control that the mixture of substances applied to the substrate is first brought to a first temperature, in particular for a certain period of time, in order to evaporate only or essentially only the first liquid phase completely or essentially completely and then the mixture of substances applied to the substrate, in particular for a certain period of time, to bring it to a second temperature in order to completely or substantially completely evaporate the second liquid phase in order to produce the functional body. In particular, the first temperature is a temperature which is greater than or equal to the boiling point of the first liquid phase, for example 100 ° C for water as the first liquid phase, and is lower than the boiling point of the second liquid phase, for example 195 ° C for octanol as a second liquid phase. The second temperature is in particular a temperature which is greater than or equal to the boiling point of the second liquid phase.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Stoffgemisch scherverdünnend ist, wobei in das bereitgestellte Stoffgemisch eine Scherkraft eingebracht wird, um die Viskosität des bereitgestellten Stoffgemisches für das Auftragen auf das Substrat zu reduzieren. Somit kann das Stoffgemisch besonders vorteilhaft auf ein Substrat, bspw. mittels einer Schlitzdüse mit einem Schlitzdüsenspalt, aufgetragen werden. Das Einbringen der Scherkraft kann bspw. mittels einer Scherkrafteinheit einer Scherkraftvorrichtung erfolgen. Die Scherkrafteinheit der Scherkraftvorrichtung kann mechanische Energie in das bereitgestellte Stoffgemisch einbringen, bspw. durch ein Rühren des bereitgestellten Stoffgemisches.It can be advantageous if, in a method according to the invention, the mixture of substances is shear-thinning, with a shear force being introduced into the mixture of substances provided in order to reduce the viscosity of the mixture of substances provided for application to the substrate. The mixture of substances can therefore be applied particularly advantageously to a substrate, for example by means of a slot nozzle with a slot nozzle gap. The shearing force can be introduced, for example, by means of a shearing force unit of a shearing force device. The shear force unit of the shear force device can introduce mechanical energy into the mixture of substances provided, for example by stirring the mixture of substances provided.
Das Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Stoffgemisch gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. der Verwendung des Stoffgemisches gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.The method according to the third aspect of the invention therefore has the same advantages as have already been described for the mixture of substances according to the first aspect of the invention or the use of the mixture of substances according to the second aspect of the invention.
Gemäß einem vierten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung einen elektrochemischen Energiewandler, insbesondere eine Brennstoffzelle als elektrochemischen Energiewandler, wobei der elektrochemische Energiewandler zumindest einen Funktionskörper aufweist, wobei wenigstens der zumindest eine Funktionskörper mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.According to a fourth aspect, the present invention shows an electrochemical energy converter, in particular a fuel cell, as an electrochemical energy converter, wherein the electrochemical energy converter has at least one functional body, wherein at least the at least one functional body is produced using a method according to the invention.
Der elektrochemische Energiewandler ist insbesondere eine Brennstoffzelle oder ein Brennstoffzellenstapel oder ein Elektrolyseur. Die Brennstoffzelle kann bspw. eine Festoxid-Brennstoffzelle oder eine Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle sein.The electrochemical energy converter is in particular a fuel cell or a fuel cell stack or an electrolyzer. The fuel cell can be, for example, a solid oxide fuel cell or a polymer electrolyte membrane fuel cell.
Es ist auch denkbar, dass der elektrochemische Energiewandler mehrere Funktionskörper aufweist, wobei jeder der mehreren Funktionskörper jeweils mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Bspw. kann eine Brennstoffzelle eine Gasdiffusionslage als Funktionskörper aufweisen, welcher mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist und eine Elektrodenschicht, bspw. eine Anode oder eine Kathode, als weiteren Funktionskörper aufweisen, welcher ebenfalls mit einem erfindungsmäßen Verfahren hergestellt ist. Die Gasdiffusionslage kann auch als Gasdiffusionsschicht verstanden werden.It is also conceivable that the electrochemical energy converter has several functional bodies, each of the several functional bodies being produced using a method according to the invention. For example, a fuel cell can have a gas diffusion layer as a functional body, which is produced using a method according to the invention, and an electrode layer, for example an anode or a cathode, as a further functional body, which is also produced using a method according to the invention. The gas diffusion layer can also be understood as a gas diffusion layer.
Der elektrochemische Energiewandler gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Stoffgemisch gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. der Verwendung des Stoffgemisches gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung bzw. dem Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.The electrochemical energy converter according to the fourth aspect of the invention therefore has the same advantages as those already described for the mixture of substances according to the first aspect of the invention or the use of the mixture of substances according to the second aspect of the invention or the method according to the third aspect of the invention have been.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.Further measures improving the invention result from the following description of some exemplary embodiments of the invention, which are shown schematically in the figures. All features and/or advantages arising from the claims, the description or the drawings, including constructive details, spatial arrangements and method steps, can be essential to the invention both individually and in the various combinations. It should be noted that the figures are only descriptive and are not intended to limit the invention in any way.
Es zeigen schematisch:
-
1 ein Verfahren, und -
2 einen elektrochemischen Energiewandler mit einem Funktionskörper.
-
1 a procedure, and -
2 an electrochemical energy converter with a functional body.
In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.In the following figures, identical reference numbers are used for the same technical features of different exemplary embodiments.
Ferner umfasst das in
Es ist zusätzlich beim in
Ferner ist es zusätzlich beim in
Claims (14)
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Legal Events
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| R163 | Identified publications notified |