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DE102016225970A1 - Method for producing a fuel and / or electrolysis cell and a fuel and / or electrolysis cell - Google Patents

Method for producing a fuel and / or electrolysis cell and a fuel and / or electrolysis cell Download PDF

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DE102016225970A1
DE102016225970A1 DE102016225970.9A DE102016225970A DE102016225970A1 DE 102016225970 A1 DE102016225970 A1 DE 102016225970A1 DE 102016225970 A DE102016225970 A DE 102016225970A DE 102016225970 A1 DE102016225970 A1 DE 102016225970A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
functional layer
structuring
partially
layer
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102016225970.9A
Other languages
German (de)
Inventor
Nicolas Maier
Imke Heeren
Andreas Haeffelin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to PCT/EP2017/082549 priority patent/WO2018114505A1/en
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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle (10a; 10b).Es wird vorgeschlagen, dass zumindest eine Funktionsschicht (22a-b, 24a-b, 26a-b) zumindest teilweise lithographisch strukturiert wird.The invention is based on a method for producing a fuel and / or electrolysis cell (10a, 10b). It is proposed that at least one functional layer (22a-b, 24a-b, 26a-b) be at least partially lithographically patterned.

Description

Stand der TechnikState of the art

Es ist bereits ein Verfahren zur Strukturierung einer Funktionsschicht bekannt, bei welchem in einem Sintervorgang eine Porosität der Funktionsschicht gezielt eingestellt wird.A method for structuring a functional layer is already known, in which a porosity of the functional layer is deliberately set in a sintering process.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle, bei welchem insbesondere zumindest eine Funktionsschicht hergestellt wird.The invention is based on a method for producing a fuel and / or electrolysis cell, in which, in particular, at least one functional layer is produced.

Es wird vorgeschlagen, dass zumindest eine Funktionsschicht der Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle zumindest teilweise lithographisch strukturiert wird.It is proposed that at least one functional layer of the fuel and / or electrolysis cell is at least partially lithographically structured.

Vorteilhaft kann mittels einer lithographischen Strukturierung ein kostengünstiges, großtechnisch skalierbares und einsetzbares Herstellungsverfahren bereitgestellt werden. Insbesondere ist eine derartig strukturierte Funktionsschicht weniger störanfällig gegen prozessbedingt abweichende Herstellparameter, wodurch eine gleichbleibend hohe Zellqualität erreicht werden kann. Ferner kann insbesondere eine Brennstoffzelle mit einer verbesserten Effizienz hergestellt werden. Vorteilhaft kann durch die lithographische Strukturierung eine Wirkeffizienz der Funktionsschicht verbessert werden, indem insbesondere eine elektrochemisch aktive Gesamtoberfläche vergrößert und Transportpfade, insbesondere der Perkolation und/oder der Tortuosität, sowie vorteilhafterweise einzelner Phasen, wie beispielsweise einer Gasphase, einer Elektrolytphase und/oder der elektronisch leitenden Phase der Zelle, verbessert werden. Besonders bevorzugt kann eine katalytische Aktivität verbessert und insbesondere können Degradationseffekte, wie beispielsweise eine stöchiometrische Abweichung, eine Oxidation, eine Agglomeration und/oder eine Mischphasenbildung, verringert werden. Weiter vorteilhaft kann durch eine gesteigerte katalytische Aktivität eine Betriebstemperatur trotz vergleichsweise gleichbleibender Effizienz verringert werden, wodurch insbesondere eine Lebensdauer und/oder eine Standzeit erhöht und Wartungsintervalle verringert werden können.Advantageously, by means of a lithographic structuring, a cost-effective, scalable and industrially scalable production method can be provided. In particular, such a structured functional layer is less susceptible to process-related deviating production parameters, as a result of which a consistently high cell quality can be achieved. Further, in particular, a fuel cell having improved efficiency can be manufactured. Advantageously, through the lithographic patterning, an effective efficiency of the functional layer can be improved by, in particular, enlarging an electrochemically active overall surface and transport paths, in particular percolation and / or tortuosity, and advantageously individual phases, such as a gas phase, an electrolyte phase and / or the electronically conductive Phase of the cell to be improved. Particularly preferably, a catalytic activity can be improved and, in particular, degradation effects such as stoichiometric deviation, oxidation, agglomeration and / or mixed phase formation can be reduced. Further advantageously, by an increased catalytic activity, an operating temperature can be reduced despite comparatively constant efficiency, which in particular increases a service life and / or a service life and maintenance intervals can be reduced.

Unter einer „Funktionsschicht“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Schicht verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest einen Transport entlang einer Phase, wie beispielsweise einer Gasphase, einer Elektrolytphase und/oder einer elektronisch leitenden Phase, der Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle zu beeinflussen. Die Funktionsschicht wird zumindest teilweise durch einen Umformprozess, insbesondere durch Prägen, und/oder einen Urformprozess, insbesondere durch Gießen, Drucken und/oder Extrudieren, hergestellt. Insbesondere kann eine Funktionsschicht zumindest teilweise von einer Folie, insbesondere eine Polymerfolie, ausgebildet sein. Insbesondere weist die Brennstoff und/oder Elektrolysezelle mehrere Funktionsschichten auf, welche insbesondere zumindest teilweise ein Funktionsschichtpaket ausbilden. Die Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle weist insbesondere zumindest eine, insbesondere zumindest zwei und besonders bevorzugt zumindest drei Funktionsschichten auf, wobei zumindest eine Funktionsschicht, vorzugsweise zwei Funktionsschichten als Elektrodenschichten, insbesondere als eine Anodenschicht und/oder eine Kathodenschicht, ausgebildet sind und/oder zumindest eine Funktionsschicht als eine Elektrolytschicht ausgebildet ist, welche insbesondere zwischen den weiteren Funktionsschichten angeordnet ist, diese vorzugsweise kontaktiert und besonders bevorzugt mit diesen stoffschlüssig verbunden ist. Insbesondere kann die Brennstoff und/oder Elektrolysezelle Bipolarplatten aufweisen, zwischen welchen zumindest eine Funktionsschicht, insbesondere das Funktionsschichtpaket, angeordnet ist. Alternativ kann die Brennstoff und/oder Elektrolysezelle einen Tubus aufweisen, an welchem zumindest eine Funktionsschicht, insbesondere das Funktionsschichtpaket, angeordnet ist. Darunter, dass „eine Funktionsschicht zumindest teilweise strukturiert wird“, soll insbesondere verstanden werden, dass zumindest eine Oberfläche und/oder eine Grenzfläche der Funktionsschicht zumindest teilweise, vorzugsweise zumindest zu einem Großteil und besonders bevorzugt vollständig strukturiert wird. Unter dem Ausdruck „zumindest zu einem Großteil“ soll dabei insbesondere zumindest zu 55 %, vorteilhaft zumindest zu 65 %, vorzugsweise zumindest zu 75 %, besonders bevorzugt zumindest zu 85 % und besonders vorteilhaft zumindest zu 95 % einer Fläche, eines Volumens, einer Masse und/oder einer Erstreckung, insbesondere einer Haupterstreckung, eines Objekts verstanden werden. Für den Fall, dass die Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle als eine Elektrolytträgerzelle ausgebildet ist, ist ein Mittelwert einer Dicke der Elektrolytschicht wesentlich größer als eine mittlere Abweichung der Dicke der Elektrolytschicht. Unter „wesentlich größer“ soll in diesem Zusammenhang zumindest um einen Faktor zwei, vorzugsweise zumindest um einen Faktor drei und besonders bevorzugt zumindest um einen Faktor vier größer verstanden werden. Die Elektrolytschicht besteht insbesondere zumindest teilweise, vorzugsweise zumindest zu einem Großteil und besonders bevorzugt vollständig, aus einer Keramik, insbesondere aus yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid (YSZ), aus scandiumstabilisiertem Zirconiumoxid (ScSZ) und/oder gadoliniumstabilisiertem Ceriumoxid (CGO). Bei einer Herstellung besteht ein Rohmaterial zur Herstellung der Elektrolytschicht insbesondere zumindest aus einer Keramik, insbesondere aus yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid (YSZ), aus scandiumstabilisiertem Zirkoniumoxid (ScSZ) und/oder gadoliniumstabilisiertem Ceriumoxid (CGO), welche insbesondere mit weiteren, insbesondere organischen Bestandteilen vermischt sein kann, wie insbesondere einem Binder, wie beispielsweise Polyvinylbutral, Acrylat, Methyl- und/oder Ethylcellulose, sowie vorzugsweise einem Lösemittel, wie beispielsweise Alkohol oder Ether, sowie einem Dispergator, einem Weichmacher und oder einem Entschäumer. Die Anodenschicht besteht insbesondere zumindest teilweise, vorzugsweise zumindest zu einem Großteil und besonders bevorzugt vollständig, aus einer Keramik, insbesondere aus einem Verbundstoff von Nickeloxid und yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid. Bei einem Herstellungsschritt besteht ein Rohmaterial zur Herstellung der Anodenschicht insbesondere zumindest aus Nickeloxid und yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid, welches mit weiteren, insbesondere organischen Bestandteilen vermischt ist, wie insbesondere einem Binder, wie beispielsweise Polyvinylbutral, Acrylat, Methyl- und/oder Ethylcellulose, sowie vorzugsweise einem Lösemittel, wie beispielsweise Alkohol oder Ether, sowie einem Dispergator, einem Weichmacher und/oder einem Entschäumer. Die Kathodenschicht besteht insbesondere zumindest teilweise, vorzugsweise zumindest zu einem Großteil und besonders bevorzugt vollständig aus einem Perowskitmaterial, wie beispielsweise LSC oder LSCF, und/oder einer Keramik, wie beispielsweise yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid. Bei einem Herstellungsprozess besteht ein Rohmaterial zur Herstellung der Kathodenschicht insbesondere zumindest aus Keramik und/oder einem Perowskitmaterial , welches mit weiteren, insbesondere organischen Bestandteilen vermischt ist, wie insbesondere einem Binder, wie beispielsweise Polyvinylbutral, Acrylat, Methyl- und/oder Ethylcellulose, sowie vorzugsweise einem Lösemittel, wie beispielsweise Alkohol oder Ether, sowie einem Dispergator, einem Weichmacher und oder einem Entschäumer. Bei einer Herstellung bildet ein Rohmaterial insbesondere eine/n vorzugsweise homogenisierte/n Paste und/oder Schlicker aus. Unter „lithographisch strukturieren“ soll insbesondere das Herstellen einer Strukturierung mittels eines lithographischen Verfahrens verstanden werden. Insbesondere ist das lithographische Verfahren ein Fotolithographieverfahren und/oder Prägelithographieverfahren, insbesondere Mikro- und/oder Nanoprägelithographieverfahren.In this context, a "functional layer" is to be understood as meaning, in particular, a layer which is intended to convey at least one transport along a phase, such as a gas phase, an electrolyte phase and / or an electronically conductive phase, to the fuel cell and / or electrolysis cell influence. The functional layer is at least partially produced by a forming process, in particular by embossing, and / or a primary molding process, in particular by casting, printing and / or extrusion. In particular, a functional layer may be at least partially formed by a film, in particular a polymer film. In particular, the fuel and / or electrolysis cell has a plurality of functional layers, which in particular at least partially form a functional layer package. The fuel and / or electrolysis cell has in particular at least one, in particular at least two, and more preferably at least three functional layers, wherein at least one functional layer, preferably two functional layers are formed as electrode layers, in particular as an anode layer and / or a cathode layer, and / or at least a functional layer is formed as an electrolyte layer, which is arranged in particular between the further functional layers, these are preferably contacted and particularly preferably connected to these materially. In particular, the fuel and / or electrolysis cell may comprise bipolar plates, between which at least one functional layer, in particular the functional layer packet, is arranged. Alternatively, the fuel and / or electrolysis cell may have a tube, on which at least one functional layer, in particular the functional layer packet, is arranged. By "at least partially structuring a functional layer", it should be understood, in particular, that at least one surface and / or an interface of the functional layer is at least partially, preferably at least to a large extent and particularly preferably completely structured. In particular, at least 55%, advantageously at least 65%, preferably at least 75%, particularly preferably at least 85% and particularly advantageously at least 95% of a surface, a volume, a mass is intended to mean by the term "at least to a large extent" and / or an extension, in particular a main extension, of an object. In the event that the fuel and / or electrolysis cell is designed as an electrolyte carrier cell, an average value of a thickness of the electrolyte layer is substantially greater than an average deviation of the thickness of the electrolyte layer. By "substantially greater" is meant in this context at least a factor of two, preferably at least a factor of three and more preferably at least a factor of four greater. The electrolyte layer consists in particular at least partially, preferably at least for the most part and particularly preferably completely, of a ceramic, in particular of yttrium-stabilized zirconium oxide (YSZ), of scandium-stabilized zirconium oxide (ScSZ) and / or gadolinium-stabilized cerium oxide (CGO). In one production, a raw material for producing the electrolyte layer consists in particular of at least one ceramic, in particular of yttrium-stabilized Zirconium oxide (YSZ), of scandium-stabilized zirconium oxide (ScSZ) and / or gadolinium-stabilized cerium oxide (CGO), which may in particular be mixed with other, in particular organic constituents, in particular a binder, such as, for example, polyvinylbutral, acrylate, methyl and / or ethylcellulose, and preferably a solvent such as alcohol or ether, and a dispersant, a plasticizer and / or a defoamer. The anode layer consists in particular at least partially, preferably at least for the most part and particularly preferably completely, of a ceramic, in particular of a composite of nickel oxide and yttrium-stabilized zirconium oxide. In one production step, a raw material for producing the anode layer consists in particular of nickel oxide and yttrium-stabilized zirconium oxide which is mixed with further, in particular organic components, in particular a binder, such as polyvinylbutral, acrylate, methyl and / or ethylcellulose, and preferably a solvent , such as alcohol or ether, and a dispersant, a plasticizer and / or a defoamer. The cathode layer is in particular at least partially, preferably at least for the most part and particularly preferably completely made of a perovskite material, such as LSC or LSCF, and / or a ceramic such as yttrium-stabilized zirconium oxide. In a production process, a raw material for producing the cathode layer is in particular at least ceramic and / or a perovskite material which is mixed with further, in particular organic constituents, in particular a binder, such as polyvinylbutral, acrylate, methyl and / or ethylcellulose, and preferably a solvent such as alcohol or ether, as well as a dispersant, a plasticizer and / or a defoamer. In one production, a raw material forms in particular a preferably homogenized paste and / or slip. By "structuring lithographically" is meant in particular the production of a structuring by means of a lithographic process. In particular, the lithographic process is a photolithography process and / or emboss lithography process, in particular micro and / or nanoprint lithography processes.

Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Funktionsschicht mit zumindest einer Strukturierung versehen wird, welche höchstens Mikrostrukturen aufweist. Unter einer „Strukturierung“ soll insbesondere eine periodische Formgebung verstanden werden, welche insbesondere von einer Porosität eines Materials verschieden und insbesondere dieser übergeordnet ist. Darunter, dass eine „Strukturierung höchstens Mikrostrukturen aufweist“, soll insbesondere verstanden werden, dass die Strukturierung Strukturen einer Größe insbesondere von höchstens 100 µm, vorzugsweise von höchstens 50 µm und besonders bevorzugt von höchstens 20 µm aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann die Strukturierung insbesondere höchstens Nanostrukturen aufweisen. Darunter, dass eine „Strukturierung höchstens Nanostrukturen aufweist“, soll insbesondere verstanden werden, dass die Strukturierung Strukturen einer Größe insbesondere von höchstens 1000 nm, vorzugsweise von höchstens 750 nm und besonders bevorzugt von höchstens 500 nm aufweist. Hierdurch kann insbesondere eine Oberfläche vergrößert und Transportpfade können verbessert werden.It is further proposed that the functional layer is provided with at least one structuring having at most microstructures. A "structuring" is to be understood in particular a periodic shaping, which is different in particular from a porosity of a material and in particular superior to this. The fact that a "structuring has at most microstructures" is to be understood in particular to mean that the structuring has structures of a size, in particular of at most 100 μm, preferably of at most 50 μm and particularly preferably of not more than 20 μm. Alternatively or additionally, the structuring may in particular have at most nanostructures. The term "structuring having at most nanostructures" is to be understood in particular to mean that the structuring has structures of a size in particular of at most 1000 nm, preferably of at most 750 nm and particularly preferably of at most 500 nm. As a result, in particular, a surface can be enlarged and transport paths can be improved.

Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Funktionsschicht zumindest teilweise von einem Musterelement strukturiert wird, welches zumindest im Wesentlichen einem Abbild einer vorgesehenen Strukturierung entspricht. Das Musterelement weist insbesondere eine Strukturierung auf, welche von der vorgesehen Strukturierung insbesondere um weniger als 25%, vorzugsweise um weniger als 10% und besonders bevorzugt um weniger als 5% abweicht. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Insbesondere ist das Abbild ein Negativ oder ein Positiv der vorgesehenen Strukturierung. Insbesondere weist das Musterelement eine gleich Periodizität und/oder Anzahl an Strukturelementen auf wie die vorgesehene Strukturierung. Vorzugsweise ist das Abbild eine zweidimensionale Abbildung der vorgesehenen Strukturierung, insbesondere bei einer Anwendung in einem Fotolithographieverfahren. Besonders bevorzugt ist das Abbild eine dreidimensionale Abbildung der vorgesehenen Struktur, insbesondere bei einer Anwendung in einem Prägelithographieverfahren. Das Musterelement ist insbesondere als ein Stempel, welcher zu einem Umformprozess vorgesehen ist, und/oder als eine Matrize, welche zu einem Urformprozess vorgesehen ist, ausgebildet. Das Musterelement kann insbesondere selbst in einem lithographischen Verfahren hergestellt werden, wie beispielsweise durch ein Ätz- und/oder Nanolithographieverfahren. Insbesondere ist das Musterelement aus einem Urmusterelement hergestellt. Das Urmusterelement wird insbesondere in ein das Musterelement ausbildendes Material eingedrückt, insbesondere während das das Musterelement ausbildende Material sich in einem niederviskosen Zustand befindet, wobei das Urmusterelement insbesondere nach teilweiser Aushärtung des Materials, insbesondere beispielsweise durch Temperaturbeaufschlagung und/oder UV-Bestrahlung, entfernt wird. Ferner ist denkbar, dass das Urmusterelement bei der Herstellung des Musterelements zerstört wird, um dieses von dem Musterelement zu trennen, wie beispielsweise durch einen chemisch und/oder thermisch selektiven Verfahrensschritt. Das Musterelement kann insbesondere an und/oder auf einer Folie und/oder einer Walze, insbesondere in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren, aufgebracht werden oder kann diese zumindest teilweise ausbilden, um insbesondere mit diesen das Funktionsschichtpaket zu strukturieren. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise und insbesondere reproduzierbar eine Strukturierung erfolgen.It is further proposed that the functional layer is at least partially structured by a pattern element which at least substantially corresponds to an image of a proposed structuring. The pattern element has, in particular, a structuring which deviates from the provided structuring, in particular by less than 25%, preferably by less than 10% and particularly preferably by less than 5%. By "intended" is intended to be understood in particular specially designed and / or equipped. The fact that an object is intended for a specific function should in particular mean that the object fulfills and / or executes this specific function in at least one application and / or operating state. In particular, the image is a negative or a positive of the proposed structuring. In particular, the pattern element has the same periodicity and / or number of structural elements as the intended structuring. Preferably, the image is a two-dimensional image of the structure provided, in particular when used in a photolithography process. Particularly preferably, the image is a three-dimensional image of the structure provided, in particular when used in an embossing lithography process. The pattern element is in particular formed as a stamp, which is provided for a forming process, and / or as a die, which is provided for a primary molding process. In particular, the pattern element may itself be produced in a lithographic process, such as by an etching and / or nanolithography process. In particular, the pattern element is made from a master pattern element. The master pattern element is in particular pressed into a material forming the pattern element, in particular while the material forming the pattern element is in a low-viscosity state, the original pattern element being removed, in particular after partial curing of the material, in particular by exposure to temperature and / or UV irradiation. Furthermore, it is conceivable that the original pattern element is destroyed in the production of the pattern element, to separate it from the pattern element, such as by a chemically and / or thermally selective process step. The pattern element can in particular be applied to and / or on a film and / or a roll, in particular in a roll-to-roll process, or can form this at least partially, in particular with these to structure the functional layer package. This can be done in a simple manner and in particular reproducible structuring.

Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Funktionsschicht zumindest teilweise von dem Musterelement, insbesondere zur lithographischen Strukturierung, umgeformt wird. Insbesondere wird das Musterelement zumindest teilweise auf und/oder in zumindest einen, zumindest teilweise viskosen Teil der Funktionsschicht, insbesondere auf ein Rohmaterial der Funktionsschicht, gepresst, wobei die Funktionsschicht, insbesondere das Rohmaterial der Funktionsschicht, die vorgesehene Strukturierung des Musterelements annimmt. Insbesondere ist es denkbar, dass die Funktionsschicht, insbesondere das Rohmaterial der Funktionsschicht, während und/oder nach der Umformung ausgehärtet wird, insbesondere durch Hitzebeaufschlagung und/oder durch elektromagnetische Bestrahlung, vorzugsweise mit UV-Licht. Das Musterelement kann insbesondere nach dem Umformen von der Funktionsschicht, insbesondere der Funktionsschicht, entfernt werden. Denkbar ist, dass das Musterelement zur Entfernen von der Funktionsschicht zerstört wird. Vorzugsweise wird das Musterelement zerstörungsfrei entfernt, um dieses vorteilhaft wieder verwenden zu können. Das zur Umformung verwendete Musterelement ist insbesondere als ein Stempel ausgebildet. Insbesondere erfolgt ein Umformen zur Strukturierung vorzugsweise in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Hierdurch kann eine besonders schnelle und einfache Strukturierung erfolgen.It is further proposed that the functional layer is at least partially reshaped by the pattern element, in particular for lithographic structuring. In particular, the pattern element is pressed on at least partially and / or in at least one, at least partially viscous part of the functional layer, in particular on a raw material of the functional layer, wherein the functional layer, in particular the raw material of the functional layer, assumes the intended structuring of the pattern element. In particular, it is conceivable that the functional layer, in particular the raw material of the functional layer, is cured during and / or after the forming, in particular by applying heat and / or by electromagnetic radiation, preferably with UV light. The pattern element can be removed, in particular after the forming, from the functional layer, in particular the functional layer. It is conceivable that the pattern element for removal from the functional layer is destroyed. Preferably, the pattern element is removed non-destructively in order to be able to reuse it advantageously. The pattern element used for forming is designed in particular as a stamp. In particular, reshaping for structuring preferably takes place in a roll-to-roll process. This allows a particularly quick and easy structuring done.

Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Funktionsschicht zumindest teilweise von dem Musterelement urgeformt wird. Das Musterelement wird insbesondere mit einem Rohmaterial zumindest einer Funktionsschicht gefüllt. Das Rohmaterial wird insbesondere in dem Musterelement zumindest teilweise ausgehärtet, insbesondere durch Beaufschlagung mit Temperatur und/oder UV-Strahlung. Das zumindest teilweise ausgehärtete Rohmaterial nimmt insbesondere die vorgesehene Strukturierung des Musterelements an und bildet insbesondere zumindest teilweise die Funktionsschicht aus. Das zur Urformung verwendete Musterelement ist insbesondere als eine Matrize ausgebildet. Hierdurch kann eine besonders präzise Strukturierung erfolgen.It is further proposed that the functional layer is at least partially formed from the pattern element. The pattern element is filled in particular with a raw material of at least one functional layer. The raw material is at least partially cured, in particular in the pattern element, in particular by exposure to temperature and / or UV radiation. The at least partially cured raw material in particular assumes the intended structuring of the pattern element and in particular at least partially forms the functional layer. The pattern element used for the primary molding is designed in particular as a die. This allows a particularly precise structuring.

Es wird ferner vorgeschlagen, dass die zumindest eine Funktionsschicht von dem Musterelement auf eine Grundschicht aufgebracht wird. Die Grundschicht kann dabei insbesondere ein Substrat sein, welches in zumindest einem Verfahrensschritt entfernt wird oder zumindest teilweise eine Funktionsschicht ausbildet. Das Musterelement wird, insbesondere zusammen mit einem insbesondere zumindest teilweise ausgehärteten Rohmaterial der Funktionsschicht, auf/an die Grundschicht, insbesondere unter Temperaturbeaufschlagung, angepresst, wodurch sich das insbesondere zumindest teilweise ausgehärtete Rohmaterial mit der Grundschicht verbindet und insbesondere zumindest teilweise eine Funktionsschicht ausbildet. Alternativ ist es denkbar, dass die Grundschicht auf das mit dem Rohmaterial der Funktionsschicht versehene Musterelement aufgebracht wird, wie beispielsweise durch einen Druck-, insbesondere Siebdruck-, und/oder durch einen Gieß- und/oder Extrusionsprozess. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Funktionsschicht zumindest teilweise als zumindest eine Elektrodenschicht ausgebildet wird. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Funktionsschicht zumindest teilweise als zumindest eine Elektrolytschicht ausgebildet wird. Hierdurch kann insbesondere auf einfache Art und Weise ein Schichtaufbau einer Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle erfolgen.It is further proposed that the at least one functional layer is applied from the pattern element to a base layer. The base layer may in particular be a substrate which is removed in at least one method step or at least partially forms a functional layer. The pattern element is, in particular together with a particular at least partially cured raw material of the functional layer, pressed on / to the base layer, in particular under temperature, whereby the particular at least partially cured raw material connects to the base layer and in particular at least partially forms a functional layer. Alternatively, it is conceivable for the base layer to be applied to the pattern element provided with the raw material of the functional layer, for example by a printing, in particular screen printing, and / or by a casting and / or extrusion process. In one embodiment of the invention, it is proposed that the functional layer is at least partially formed as at least one electrode layer. In a particularly preferred embodiment of the invention, it is proposed that the functional layer is at least partially formed as at least one electrolyte layer. As a result, a layer structure of a fuel cell and / or electrolysis cell can be carried out in a simple manner, in particular.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle vorgeschlagen, welche zumindest eine Funktionsschicht aufweist, welche zumindest eine, insbesondere periodische, lithographische Strukturierung aufweist. Die Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle ist insbesondere als eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) und/oder Hochtemperatur-Elektrolysezelle (SOEC). Vorzugsweise ist die Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle von der Bauart einer Elektrolytträgerzelle, bei welcher eine als Elektrodenschicht ausgebildete Funktionsschicht als Träger weiterer Funktionsschichten, insbesondere Elektrodenschichten, vorgesehen ist. Hierdurch kann insbesondere eine präzise und insbesondere periodische Strukturierung erreicht werden, insbesondere gegenüber selbst-assimilierenden Strukturierungen. Ferner kann insbesondere eine Brennstoffzelle mit einer verbesserten Effizienz bereitgestellt werden.In a further aspect of the invention, a fuel and / or electrolysis cell is proposed which has at least one functional layer which has at least one, in particular periodic, lithographic structuring. The fuel and / or electrolysis cell is in particular as a high-temperature fuel cell (SOFC) and / or high-temperature electrolysis cell (SOEC). Preferably, the fuel and / or electrolytic cell is of the type of an electrolyte carrier cell, in which a functional layer formed as an electrode layer is provided as a carrier of further functional layers, in particular electrode layers. In this way, in particular, a precise and, in particular, periodic structuring can be achieved, in particular with respect to self-assimilating structuring. Further, in particular, a fuel cell having improved efficiency can be provided.

Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Strukturierung zumindest eine Unterstrukturierung aufweist. Die Strukturierung ist insbesondere eine Strukturierung, welche zumindest Mikrostrukturelemente aufweist. Ferner weist die Strukturierung insbesondere als Unterstrukturierung zumindest Nanostrukturelemente auf. Hierdurch kann insbesondere eine Oberfläche und/oder Grenzfläche weiter vergrößert werden und vorteilhaft können Transportpfade weiter verbessert werden. It is further proposed that the structuring has at least one substructuring. The structuring is in particular a structuring which has at least microstructure elements. Furthermore, the structuring has, in particular as substructuring, at least nanostructure elements. In this way, in particular, a surface and / or interface can be further increased and, advantageously, transport paths can be further improved.

Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Strukturierung eine Oberfläche und/oder eine Grenzfläche der Funktionsschicht zumindest um den Faktor zwei, insbesondere zumindest um den Faktor drei und bevorzugt zumindest um den Faktor vier, vergrößert.It is further proposed that the structuring increases a surface and / or an interface of the functional layer by at least a factor of two, in particular by at least a factor of three, and preferably by at least a factor of four.

Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Strukturierung zumindest teilweise lamellenartig, zylinderartig, pyramidenartig und/oder kugelsegmentartig ist. Hierdurch kann eine besonders gezielte Strukturierung insbesondere zur Fluidleitung erreicht werden.It is further proposed that the structuring is at least partially lamellar, cylinder-like, pyramidal and / or spherical segment-like. As a result, a particularly targeted structuring, in particular for fluid conduction, can be achieved.

Das Verfahren sowie die Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können das Verfahren sowie die Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Verfahrensschritte, Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.The method and the fuel and / or electrolysis cell should not be limited to the application and embodiment described above. In particular, the method and the fuel and / or electrolytic cell may have a different number from a number of individual method steps, elements, components and units mentioned herein for performing a function described herein.

Figurenlistelist of figures

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further advantages emerge from the following description of the drawing. In the drawings, embodiments of the invention are shown. The drawing, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into meaningful further combinations.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle in einer perspektivischen Ansicht,
  • 2 einen Teil eines Funktionsschichtpakets der Brennstoffzelle in einer Schnittdarstellung,
  • 3 a-d beispielhafte lithographische Strukturierungen einer Funktionsschicht des Funktionsschichtpakets in einer perspektivischen Ansichten,
  • 4 einen schematischen Ablaufplan eines Verfahrens zur Herstellung der Brennstoffzelle,
  • 5 a, b einen beispielhaften Umformschritt des Verfahrens zur Herstellung der Brennstoffzelle,
  • 6 einen Teil eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzelle in einer perspektivischen Ansicht,
  • 7 eine beispielhafte lithographische Strukturierung einer Funktionsschicht eines Funktionsschichtpakets der Brennstoffzelle aus 6 in einer perspektivischen Ansicht,
  • 8 einen schematischen Ablaufplan eines alternativen Verfahrens zur Herstellung der Brennstoffzelle aus 6,
  • 9 einen beispielhaften Urformschritt des Verfahrens zur Herstellung der Brennstoffzelle aus 6 und
  • 10 einen schematischen Ablaufplan eines weiteren alternativen Verfahrens zur Herstellung der Brennstoffzelle aus 6.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell in a perspective view,
  • 2 a part of a functional layer package of the fuel cell in a sectional view,
  • 3 ad exemplary lithographic structuring of a functional layer of the functional layer package in a perspective view,
  • 4 a schematic flowchart of a method for producing the fuel cell,
  • 5 a, b an exemplary forming step of the method for producing the fuel cell,
  • 6 a part of another embodiment of a fuel cell in a perspective view,
  • 7 an exemplary lithographic structuring of a functional layer of a functional layer package of the fuel cell 6 in a perspective view,
  • 8th a schematic flowchart of an alternative method for producing the fuel cell 6 .
  • 9 an exemplary primary forming step of the method for producing the fuel cell 6 and
  • 10 a schematic flowchart of another alternative method for producing the fuel cell 6 ,

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

1 zeigt eine Brennstoffzelle 10a in einer perspektivischen Ansicht. Die Brennstoffzelle 10a ist als eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle ausgebildet. Ferner ist die Brennstoffzelle 10a eine Tubulare-Brennstoffzelle. Ein Funktionsschichtpaket 12a bildet die Brennstoffzelle 10a zumindest zu einem Großteil aus. Die Brennstoffzelle 10a weist einen Tubus 34a auf, an welchem das Funktionsschichtpaket 12a angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Funktionsschichtpaket 12a auch Teil einer Elektrolysezelle sein und diese insbesondere zumindest zu einem Großteil ausbilden. Ferner könnte die Brennstoffzelle Bipolarplatten aufweisen, zwischen welchen das Funktionsschichtpaket angeordnet sein könnte. 1 shows a fuel cell 10a in a perspective view. The fuel cell 10a is designed as a high-temperature fuel cell. Further, the fuel cell 10a a tubular fuel cell. A functional layer package 12a forms the fuel cell 10a at least in large part. The fuel cell 10a has a tube 34a on which the functional layer package 12a is arranged. Alternatively or additionally, the functional layer package 12a be part of an electrolytic cell and form them in particular at least a large part. Furthermore, the fuel cell could have bipolar plates, between which the functional layer package could be arranged.

2 zeigt einen Teil des Funktionsschichtpakets 12a der Brennstoffzelle 10a in einer Schnittdarstellung. Das Funktionsschichtpaket 12a weist eine erste Funktionsschicht 22a auf. Die erste Funktionsschicht 22a ist eine Elektrodenschicht, und zwar insbesondere eine Anodenschicht. Ferner weist das Funktionsschichtpaket 12a eine zweite Funktionsschicht 24a auf. Die zweite Funktionsschicht 24a ist eine Elektrolytschicht. Zudem weist das Funktionsschichtpaket 12a eine dritte Funktionsschicht 26a auf. Die dritte Funktionsschicht 26a ist eine weitere Elektrodenschicht, und zwar insbesondere eine Kathodenschicht. Die zweite Funktionsschicht 24a ist zwischen der ersten Funktionsschicht 22a und der dritten Funktionsschicht 26a angeordnet. Die zweite Funktionsschicht 24a kontaktiert die erste Funktionsschicht 22a und ist insbesondere stoffschlüssig mit dieser verbunden. Die zweite Funktionsschicht 22a kontaktiert die dritte Funktionsschicht 26a und ist insbesondere stoffschlüssig mit dieser verbunden. 2 shows a part of the functional layer package 12a the fuel cell 10a in a sectional view. The functional layer package 12a has a first functional layer 22a on. The first functional layer 22a is an electrode layer, in particular an anode layer. Furthermore, the functional layer package 12a a second functional layer 24a on. The second functional layer 24a is an electrolyte layer. In addition, the functional layer package has 12a a third functional layer 26a on. The third functional layer 26a is another electrode layer, in particular a cathode layer. The second functional layer 24a is between the first functional layer 22a and the third functional layer 26a arranged. The second functional layer 24a contacts the first functional layer 22a and is in particular materially connected thereto. The second functional layer 22a contacts the third functional layer 26a and is in particular materially connected thereto.

Die erste Funktionsschicht 22a besteht zumindest teilweise, vorzugsweise zumindest zu einem Großteil und besonders bevorzugt vollständig aus einer Keramik, insbesondere aus einem Verbundstoff von Nickeloxid und yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid. Die zweite Funktionsschicht 24a besteht zumindest teilweise aus einer Keramik, insbesondere aus yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid (YSZ). Alternativ oder zusätzlich könnte die zweite Funktionsschicht 24a zumindest teilweise aus scandiumstabilisiertem Zirkoniumoxid (ScSZ) und/oder gadoliniumstabilisiertem Ceriumoxid (CGO) bestehen. Die dritte Funktionsschicht 26a besteht zumindest teilweise aus einem Perowskitmaterial, wie beispielsweise LSC oder LSCF. Alternativ oder zusätzlich kann die dritte Funktionsschicht 26a zumindest teilweise aus einer Keramik, wie beispielsweise yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid, bestehen.The first functional layer 22a consists at least partially, preferably at least for the most part and most preferably entirely of a ceramic, in particular a composite of nickel oxide and yttrium-stabilized zirconium oxide. The second functional layer 24a consists at least in part of a ceramic, in particular of yttrium-stabilized zirconium oxide (YSZ). Alternatively or additionally, the second functional layer could 24a at least partially scandium-stabilized Zirconia (ScSZ) and / or gadolinium stabilized cerium oxide (CGO). The third functional layer 26a consists at least in part of a perovskite material, such as LSC or LSCF. Alternatively or additionally, the third functional layer 26a at least partially made of a ceramic such as yttrium stabilized zirconia.

Das Funktionsschichtpaket 12a weist eine lithographische Strukturierung 14a auf. Im vorliegenden Fall ist eine Grenzfläche 32a der ersten Funktionsschicht 22a, welche insbesondere an die zweite Funktionsschicht 24a grenzt, mit der lithographischen Strukturierung 14a versehen. Ferner ist eine Grenzfläche 33a der zweiten Funktionsschicht 24a, welche insbesondere an die dritte Funktionsschicht 26a grenzt, mit einer lithographischen Strukturierung 14a versehen.The functional layer package 12a has a lithographic structuring 14a on. In the present case is an interface 32a the first functional layer 22a , which in particular to the second functional layer 24a borders, with the lithographic structuring 14a Mistake. Furthermore, it is an interface 33a the second functional layer 24a , which in particular adjoins the third functional layer 26a, with a lithographic patterning 14a Mistake.

In 3 sind beispielhaft verschiedene lithographische Strukturierungen 14a des Funktionsschichtpakets 12a dargestellt. Die Strukturierung 14a vergrößert Grenzflächen 32a des Funktionsschichtpakets 12a, insbesondere der jeweiligen Grenzflächen 32a, 33a der Funktionsschichten 22a, 24a, 26a, zumindest um den Faktor zwei. Die Strukturierung 14a weist höchstens Mikrostrukturelemente 18a auf. Die Mikrostrukturelemente 18a können lamellenartig, zylinderartig, kegelartig, pyramidenartig und/oder kugelsegmentartig ausgebildet sein. Insbesondere kann die Strukturierung 14a verschiedenartig ausgebildete Mikrostrukturelemente 18a aufweisen.In 3 are exemplary different lithographic structuring 14a the functional layer package 12a shown. The structuring 14a enlarges interfaces 32a the functional layer package 12a , in particular the respective interfaces 32a . 33a the functional layers 22a . 24a . 26a at least a factor of two. The structuring 14a has at most microstructural elements 18a on. The microstructure elements 18a may be lamellar, cylindrical, conical, pyramidal and / or spherical segment-like. In particular, the structuring 14a variously formed microstructure elements 18a exhibit.

In 4 ist ein schematischer Ablaufplan eines Verfahrens zur Herstellung der Brennstoffzelle 10a dargestellt. Ferner eignet sich das Verfahren in gleicher Weise zur Herstellung einer Elektrolysezelle. In dem Verfahren wird das Funktionsschichtpaket 12a zumindest teilweise lithographisch strukturiert. Im vorliegenden Fall wird das Funktionsschichtpaket 12a und werden insbesondere die Funktionsschichten 22a, 24a, 26a mittels eines Siebdruckverfahrens auf eine Grundschicht 28a aufgebracht. Die Grundschicht 28a ist ein insbesondere entfernbares Substrat. Die Grundschicht 28a ist eine Folie. Die Grundschicht 28a besteht zumindest teilweise aus Papier. Die Grundschicht 28a ist unter dem Handelsnamen Trucal bekannt. Das Funktionsschichtpaket 12a wird zumindest teilweise bei einer Strukturierung 14a umgeformt.In 4 is a schematic flowchart of a method for manufacturing the fuel cell 10a shown. Furthermore, the method is equally suitable for the production of an electrolytic cell. In the process, the functional layer package becomes 12a at least partially lithographically structured. In the present case, the functional layer package 12a and especially the functional layers 22a . 24a . 26a by means of a screen printing process on a base layer 28a applied. The base layer 28a is a particular removable substrate. The base layer 28a is a foil. The base layer 28a consists at least partially of paper. The base layer 28a is known under the trade name Trucal. The functional layer package 12a is at least partially structuring 14a reshaped.

Das Verfahren weist zumindest einen Verfahrensschritt 36a auf. In dem Verfahrensschritt 36a wird zumindest teilweise die erste Funktionsschicht 22a hergestellt. Dazu wird ein Rohmaterial der ersten Funktionsschicht 22a auf die Grundschicht 28a aufgebracht. Ferner wird die erste Funktionsschicht 22a mit einer Strukturierung 14a versehen. Das Rohmaterial der ersten Funktionsschicht 22a ist eine Paste und/oder ein Schlicker. Das Rohmaterial der ersten Funktionsschicht 22a wird zumindest teilweise mittels eines Musterelements 20a umgeformt. Der Umformungsprozess ist schematisch in 5 dargestellt. Das Musterelement 20a entspricht zumindest im Wesentlichen einem Abbild einer vorgesehenen Strukturierung 14a der ersten Funktionsschicht 22a. Im vorliegenden Fall ist das Musterelement als ein Stempel ausgebildet. Die Umformung findet in einem noch zumindest teilweisen viskosen Zustand des Rohmaterials der ersten Funktionsschicht 22a statt. Nach dem Umformen wird das Musterelement 20a von der ersten Funktionsschicht 22a entfernt. Das Rohmaterial der ersten Funktionsschicht 22a wird vor oder nach der Entfern des Musterelements 20a zumindest teilweise ausgehärtet und bildet die erste Funktionsschicht 22a aus. Beispielsweise kann die erste Funktionsschicht 22a durch Temperaturbeaufschlagung oder auf eine, von einem Fachmann besonders bevorzugte Weise ausgehärtet werden.The method has at least one method step 36a on. In the process step 36a becomes at least partially the first functional layer 22a produced. For this purpose, a raw material of the first functional layer 22a to the base layer 28a applied. Furthermore, the first functional layer 22a with a structuring 14a Mistake. The raw material of the first functional layer 22a is a paste and / or a slip. The raw material of the first functional layer 22a is at least partially by means of a pattern element 20a reshaped. The forming process is schematic in 5 shown. The pattern element 20a at least essentially corresponds to an image of a proposed structuring 14a the first functional layer 22a , In the present case, the pattern element is designed as a stamp. The deformation takes place in a still at least partially viscous state of the raw material of the first functional layer 22a instead of. After forming, the pattern element becomes 20a from the first functional layer 22a away. The raw material of the first functional layer 22a is before or after the removal of the pattern element 20a at least partially cured and forms the first functional layer 22a out. For example, the first functional layer 22a be cured by exposure to temperature or in a manner particularly preferred by a person skilled in the art.

Das Verfahren umfasst einen weiteren Verfahrensschritt 38a. In dem weiteren Verfahrensschritt 38a wird die zweite Funktionsschicht 24a auf die erste Funktionsschicht 22a aufgebracht. Ein Rohmaterial der zweiten Funktionsschicht 24a wird auf die erste Funktionsschicht 22a aufgebracht. Das Rohmaterial der zweiten Funktionsschicht 24a füllt Kavitäten der Strukturierung 14a der ersten Funktionsschicht 22a aus. Ferner wird die zweite Funktionsschicht 24a mit einer Strukturierung 14a versehen. Dazu wird das Rohmaterial der zweiten Funktionsschicht 24a zumindest teilweise mittels des Musterelements 20a korrespondierend zum vorhergehenden Verfahrensschritt 36a umgeformt.The method comprises a further method step 38a , In the further process step 38a becomes the second functional layer 24a on the first functional layer 22a applied. A raw material of the second functional layer 24a gets onto the first functional layer 22a applied. The raw material of the second functional layer 24a fills cavities of structuring 14a the first functional layer 22a out. Furthermore, the second functional layer becomes 24a with a structuring 14a Mistake. For this purpose, the raw material of the second functional layer 24a is at least partially by means of the pattern element 20a corresponding to the previous method step 36a reshaped.

Das Verfahren umfasst einen weiteren Verfahrensschritt 40a. In dem weiteren Verfahrensschritt 40a wird die dritte Funktionsschicht 26a auf die zweite Funktionsschicht 24a aufgebracht. Ein Rohmaterial der dritten Funktionsschicht 26a wird auf die zweite Funktionsschicht 24a aufgebracht. Das Rohmaterial der dritten Funktionsschicht 26a füllt zumindest teilweise Kavitäten der Strukturierung 14a der zweiten Funktionsschicht 26a aus. Das Rohmaterial der dritten Funktionsschicht 26a wird zumindest teilweise ausgehärtet. Das Rohmaterial der dritten Funktionsschicht 26a bildet zumindest teilweise die dritte Funktionsschicht 26a aus.The method comprises a further method step 40a , In the further process step 40a becomes the third functional layer 26a on the second functional layer 24a applied. A raw material of the third functional layer 26a is on the second functional layer 24a applied. The raw material of the third functional layer 26a at least partially fills cavities of the structuring 14a of the second functional layer 26a out. The raw material of the third functional layer 26a is at least partially cured. The raw material of the third functional layer 26a at least partially forms the third functional layer 26a out.

Das Verfahren umfasst einen weiteren Verfahrensschritt 42a. In dem weiteren Verfahrensschritt 42a wird das Funktionsschichtpaket 12a mit einer Trägereinheit 29a verbunden. Die Trägereinheit 29a ist insbesondere zur Anordnung des Funktionsschichtpakets 12a an dem Tubus 34a der Brennstoffzelle 10a vorgesehen. Dazu wird das Funktionspaket 12a mit einer die Trägereinheit 29a ausbildenden Trägermasse zumindest teilweise umspritzt. Die Trägermasse umfasst zumindest Forsterit. Die Trägermasse ist insbesondere zumindest teilweise porös sinternd. Durch Umspritzen wird die dritte Funktionsschicht 26a mit der Trägereinheit 29a verbunden. Die dritte Funktionsschicht 26a und die Trägereinheit 29a sind insbesondere mittels eines in den jeweiligen Rohmaterialien enthaltenen, insbesondere heißklebenden Binders miteinander stoffschlüssig verbunden. Der Binder umfasst zumindest Polyvinylbutyral (PVB).The method comprises a further method step 42a , In the further process step 42a becomes the functional layer package 12a connected to a carrier unit 29a. The carrier unit 29a is in particular for the arrangement of the functional layer package 12a at the tube 34a the fuel cell 10a intended. This is the function package 12a with a the carrier unit 29a forming carrier mass at least partially encapsulated. The carrier mass comprises at least forsterite. The Carrier composition is in particular at least partially porous sintering. By encapsulation is the third functional layer 26a with the carrier unit 29a connected. The third functional layer 26a and the carrier unit 29a are in particular by means of a material contained in the respective raw materials, in particular heat-adhesive binder cohesively connected. The binder comprises at least polyvinyl butyral (PVB).

Das Verfahren umfasst einen weiteren Verfahrensschritt 44a. In dem weiteren Verfahrensschritt 44a wird das Funktionsschichtpaket 12a in einem Wasserbad, insbesondere für zumindest eine Zeitdauer von 1 bis 3 Tagen, vorentbindert. Ferner kann durch Kontakt mit Wasser die Grundschicht 28a entfernt werden.The method comprises a further method step 44a , In the further process step 44a becomes the functional layer package 12a in a water bath, in particular for at least a period of 1 to 3 days, pre-debinded. Further, by contact with water, the base layer 28a be removed.

Ferner weist das Verfahren einen weiteren Verfahrensschritt 46a auf. In dem weiteren Verfahrensschritt 46a wird das Funktionsschichtpaket 12a, insbesondere thermisch, entbindert. Ferner wird das Funktionsschichtpaket 12a, insbesondere thermisch, gesintert.Furthermore, the method has a further method step 46a on. In the further process step 46a becomes the functional layer package 12a , in particular thermal, binderless. Furthermore, the functional layer package 12a , in particular thermal, sintered.

In den 6 bis 10 sind weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 bis 5, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 bis 5 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der 6 bis 10 ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b und c ersetzt.In the 6 to 10 Further embodiments of the invention are shown. The following descriptions and the drawings are essentially limited to the differences between the exemplary embodiments, with reference in principle to the same reference components, in particular with respect to components with the same reference numerals, to the drawings and / or the description of the other embodiments, in particular 1 to 5 , can be referenced. To distinguish the embodiments of the letter a is the reference numerals of the embodiment in the 1 to 5 readjusted. In the embodiments of the 6 to 10 the letter a is replaced by the letters b and c.

6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelle 10b. Im vorliegenden Fall ist die Brennstoffzelle 10b als eine Elektrolytträgerzelle ausgebildet. Die Brennstoffzelle 10b weist ein Funktionsschichtpaket 12b auf. Das Funktionsschichtpaket 12b weist eine erste Funktionsschicht 22b auf. Ferner weist das Funktionsschichtpaket 12b eine zweite Funktionsschicht 24b auf. Zudem weist das Funktionsschichtpaket 12b eine dritte Funktionsschicht 26b auf. 6 shows a further embodiment of a fuel cell 10b , In the present case, the fuel cell 10b formed as an electrolyte carrier cell. The fuel cell 10b has a functional layer package 12b on. The functional layer package 12b has a first functional layer 22b on. Furthermore, the functional layer package 12b a second functional layer 24b on. In addition, the functional layer package has 12b a third functional layer 26b on.

Das Funktionsschichtpaket 12b weist eine lithographische Strukturierung 14b auf. Im vorliegenden Fall ist eine Grenzfläche 32b der ersten Funktionsschicht 22b, welche insbesondere an die zweite Funktionsschicht 24b grenzt, mit der lithographischen Strukturierung 14b versehen. Ferner ist eine weitere Grenzfläche 33b der zweiten Funktionsschicht 24b, welche insbesondere an die dritte Funktionsschicht 26b grenzt, mit einer lithographischen Strukturierung 14b versehen.The functional layer package 12b has a lithographic structuring 14b on. In the present case is an interface 32b the first functional layer 22b , which in particular to the second functional layer 24b borders, with the lithographic structuring 14b Mistake. Furthermore, another interface 33b the second functional layer 24b , which in particular to the third functional layer 26b borders, with a lithographic structuring 14b Mistake.

In 7 ist beispielhaft eine lithographische Strukturierung 14b des Funktionsschichtpakets 12b dargestellt. Die Strukturierung 14b vergrößert Grenzflächen 32b, 33b des Funktionsschichtpakets 12b, insbesondere die jeweiligen Grenzflächen 32b, 33b der Funktionsschichten 22b, 24b, 26b, zumindest um den Faktor zwei. Die Strukturierung 14b weist höchstens Mikrostrukturelemente 18b auf. Die Mikrostrukturelemente 18b sind kugelsegmentartig ausgebildet. Ferner weist die Strukturierung 14b verschiedenartig ausgebildete Mikrostrukturelemente 18b auf, welche eine Unterstruktur, insbesondere ein Raster, ausbilden. Alternativ oder zusätzlich kann die Strukturierung 14b eine Unterstrukturierung 30b aufweisen, welche beispielsweise Nanostrukturelemente umfassen kann.In 7 is an example of a lithographic structuring 14b the functional layer package 12b shown. The structuring 14b increases interfaces 32b, 33b of the functional layer package 12b , in particular the respective interfaces 32b . 33b the functional layers 22b . 24b . 26b at least a factor of two. The structuring 14b has at most microstructural elements 18b on. The microstructure elements 18b are formed spherical segment-like. Furthermore, the structuring 14b variously formed microstructure elements 18b on, which form a substructure, in particular a grid. Alternatively or additionally, the structuring 14b a substructuring 30b which may comprise, for example, nanostructure elements.

In 8 ist ein schematischer Ablaufplan eines Verfahrens zur Herstellung der Brennstoffzelle 10b dargestellt. In dem Verfahren wird das Funktionsschichtpaket 12b zumindest teilweise lithographisch strukturiert. Die Grundschicht 28b ist eine Folie. Eine Grundschicht 28b besteht zumindest teilweise aus yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid. Die Grundschicht 28b bildet zumindest teilweise die zweite Funktionsschicht 24b des Funktionsschichtpakets 12b aus. Die Grundschicht 28b kann beispielsweise foliengegossen oder extrudiert sein.In 8th is a schematic flowchart of a method for manufacturing the fuel cell 10b shown. In the method, the functional layer package 12b is at least partially lithographically structured. The base layer 28b is a foil. A base layer 28b consists at least in part of yttrium-stabilized zirconium oxide. The base layer 28b at least partially forms the second functional layer 24b the functional layer package 12b out. The base layer 28b For example, it may be film-cast or extruded.

Das Verfahren weist einen Verfahrensschritt 36b auf. In dem Verfahrensschritt 36b wird die zweite Funktionsschicht 24b mit der Strukturierung 14b versehen. Dazu wird die zweite Funktionsschicht 24b zumindest teilweise mittels eines Musterelements 20b urgeformt. Der Urformungsprozess ist schematisch in 9 dargestellt. Im vorliegenden Fall ist das Musterelement 20b eine Matrize. Das Rohmaterial der zweiten Funktionsschicht 24b wird auf das Musterelement 20b aufgetragen. Ein Rohmaterial der zweiten Funktionsschicht 24b wird von dem Musterelement 20b strukturiert. Die Urformung findet in einem noch zumindest teilweisen viskosen Zustand des Rohmaterials der zweiten Funktionsschicht 24b statt. Das Rohmaterial der zweiten Funktionsschicht 24b wird zumindest teilweise ausgehärtet. Das Musterelement 20b, welches zumindest teilweise mit dem Rohmaterial der zweiten Funktionsschicht 24b gefüllt ist, wird auf zumindest eine Seite der Grundschicht 28b gepresst. Das Rohmaterial der zweiten Funktionsschicht 24b verbindet sich mit der Grundschicht 28b. Das Rohmaterial der zweiten Funktionsschicht 24b bildet zumindest teilweise zusammen mit der Grundschicht 28b die zweite Funktionsschicht 24b aus. Ferner kann in gleicher Weise in einem weiteren Verfahrensschritt oder in einem gleichen Verfahrensschritt eine weitere Seite der Grundschicht 28b bearbeitet werden.The method has a method step 36b on. In method step 36b, the second functional layer becomes 24b with the structuring 14b Mistake. This is the second functional layer 24b at least partially by means of a pattern element 20b urgeformt. The primary shaping process is schematic in 9 shown. In the present case, the pattern element 20b a die. The raw material of the second functional layer 24b becomes on the pattern element 20b applied. A raw material of the second functional layer 24b is from the pattern element 20b structured. The primary shaping takes place in a still at least partially viscous state of the raw material of the second functional layer 24b instead of. The raw material of the second functional layer 24b is at least partially cured. The pattern element 20b which at least partially with the raw material of the second functional layer 24b is filled on at least one side of the base layer 28b pressed. The raw material of the second functional layer 24b connects to the base layer 28b , The raw material of the second functional layer 24b forms at least partially together with the base layer 28b the second functional layer 24b out. Furthermore, in the same way in a further method step or in a same method step, another side of the base layer 28b to be edited.

Das Verfahren weist einen weiteren Verfahrensschritt 38b auf. In dem weiteren Verfahrensschritt 38b werden die erste Funktionsschicht 22b und die zweite Funktionsschicht 24b auf die dritte Funktionsschicht 26b aufgetragen. Dabei werden Kavitäten der Strukturierung 14b der dritten Funktionsschicht 24b von Rohmaterialien der ersten und der dritten Funktionsschichten 22b, 26b ausgefüllt. Die erste und die zweite Funktionsschicht 22b, 26b könnten alternativ auch durch weitere Abscheidungsprozesse, wie beispielsweise physikalische Gasphasenabscheidung, Atomlagenbeschichtung, Inkjet, Aerosoljet und/oder Plasmasprühverfahren, aufgebracht werden.The method has a further method step 38b on. In the further process step 38b become the first functional layer 22b and the second functional layer 24b on the third functional layer 26b applied. This cavities are the structuring 14b the third functional layer 24b of raw materials of the first and third functional layers 22b . 26b filled. The first and the second functional layer 22b . 26b Alternatively, they could also be applied by further deposition processes, such as physical vapor deposition, atomic layer coating, inkjet, aerosol jet and / or plasma spray processes.

Das Verfahren weist einen weiteren Verfahrensschritt 40b auf. In dem weiteren Verfahrensschritt 40b werden die Funktionsschichten 22b, 24b, 26b getrocknet. Ferner werden die Funktionsschichten 22b, 24b, 26b entbindert und gesintert.The method has a further method step 40b on. In the further process step 40b become the functional layers 22b . 24b . 26b dried. Furthermore, the functional layers become 22b . 24b . 26b debinded and sintered.

In 10 ist ein schematischer Ablaufplan eines weiteren alternativen Verfahrens zur Herstellung der Brennstoffzelle 10b dargestellt. Im vorliegenden Fall wird das Funktionsschichtpaket 12b mittels eines Rolle-zu-Rolle-Verfahrens auf eine Grundschicht 28b aufgetragen. Vorzugsweise bildet ein Musterelement 20b zumindest teilweise eine Rolle aus, entlang welcher die Grundschicht 28b gefördert wird.In 10 is a schematic flowchart of another alternative method of manufacturing the fuel cell 10b shown. In the present case, the functional layer package 12b by means of a roll-to-roll method on a base layer 28b applied. Preferably, a pattern element forms 20b at least partially a role along which the base layer 28b is encouraged.

Das Verfahren weist einen Verfahrensschritt 36c auf. In dem Verfahrensschritt 36c wird auf zumindest eine Seite der Grundschicht 28b ein Rohmaterial einer zweiten Funktionsschicht 22b aufgebracht. Des Weiteren wird die Grundschicht 28b entlang der Rolle gefördert. Das Rohmaterial einer zweiten Funktionsschicht 24b wird teilweise durch das Musterelement 20b umgeformt und so strukturiert. Ferner kann in gleicher Weise in einem weiteren Verfahrensschritt oder in einem gleichen Verfahrensschritt eine weitere Seite der Grundschicht 28c bearbeitet werden.The method has a method step 36c on. In method step 36c, at least one side of the base layer is applied 28b a raw material of a second functional layer 22b applied. Furthermore, the base layer 28b is conveyed along the roller. The raw material of a second functional layer 24b partially passes through the pattern element 20b reshaped and structured. Furthermore, in the same way in a further method step or in a same method step, another side of the base layer 28c to be edited.

Ferner weist das Verfahren die Verfahrensschritte 38c, 40c auf, welche in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel entsprechend beschrieben sind.Furthermore, the method has the method steps 38c . 40c which are described accordingly in the previous embodiment.

Claims (12)

Verfahren zur Herstellung einer Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle (10a; 10b), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Funktionsschicht (22a-b, 24a-b, 26a-b) zumindest teilweise lithographisch strukturiert wird.Method for producing a fuel and / or electrolysis cell (10a, 10b), characterized in that at least one functional layer (22a-b, 24a-b, 26a-b) is at least partially lithographically structured. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (22a-b, 24a-b, 26a-b) wenigstens mit zumindest einer Strukturierung (14a-c) versehen wird, welche höchstens Mikrostrukturelemente (18a; 18b) aufweist.Method according to Claim 1 , characterized in that the functional layer (22a-b, 24a-b, 26a-b) is provided with at least one structuring (14a-c) which has at most microstructure elements (18a, 18b). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (22a-b, 24a-b, 26a-b) zumindest teilweise von einem Musterelement (20a; 20b) strukturiert wird, welches zumindest im Wesentlichen einem Abbild einer vorgesehenen Strukturierung (14a; 14b) entspricht.Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the functional layer (22a-b, 24a-b, 26a-b) at least partially by a pattern element (20a, 20b) is structured, which at least substantially corresponds to an image of an intended structuring (14a, 14b). Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (22a, 24a) zumindest teilweise von dem Musterelement (20a) umgeformt wird.Method according to Claim 3 , characterized in that the functional layer (22a, 24a) is at least partially reshaped by the pattern element (20a). Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (24b) zumindest teilweise von dem Musterelement (20b) urgeformt wird.Method according to Claim 3 or 4 , characterized in that the functional layer (24b) is at least partially reshaped by the pattern element (20b). Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (24b) von dem Musterelement (20b) auf eine Grundschicht (28b) aufgebracht wird.Method according to one of Claims 3 to 5 , characterized in that the functional layer (24b) of the pattern element (20b) on a base layer (28b) is applied. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (22a-c, 26a-c) zumindest teilweise als zumindest eine Elektrodenschicht ausgebildet wird.Method according to Claim 6 , characterized in that the functional layer (22a-c, 26a-c) is at least partially formed as at least one electrode layer. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (24a-c) zumindest teilweise als zumindest eine Elektrolytschicht ausgebildet wird.Method according to Claim 6 or 7 , characterized in that the functional layer (24a-c) is at least partially formed as at least one electrolyte layer. Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle, insbesondere hergestellt durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Funktionsschicht (22a-b, 24a-b, 26a-b), welche zumindest eine lithographische Strukturierung (14a; 14b) aufweist.Fuel and / or electrolytic cell, in particular produced by a method according to one of the preceding claims, characterized by at least one functional layer (22a-b, 24a-b, 26a-b) which has at least one lithographic patterning (14a, 14b). Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (14b) zumindest eine Unterstrukturierung (30b) aufweist.Fuel and / or electrolytic cell after Claim 9 , characterized in that the structuring (14b) has at least one substructure (30b). Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (14a; 14b) eine Oberfläche und/oder Grenzfläche (32a; 32b, 33a; 33b) der Funktionsschicht (22a-b, 24a-b, 26a-b) zumindest um den Faktor zwei vergrößert.Fuel and / or electrolytic cell after Claim 9 or 10 , characterized in that the structuring (14a, 14b) enlarges a surface and / or boundary surface (32a, 32b, 33a, 33b) of the functional layer (22a-b, 24a-b, 26a-b) by at least a factor of two. Brennstoff- und/oder Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (14a; 14b) zumindest teilweise lamellenartig, zylinderartig, kegelartig, pyramidenartig und/oder kugelsegmentartig ist.Fuel and / or electrolytic cell according to one of Claims 9 to 11 , characterized in that the structuring (14a, 14b) at least partially lamellar, cylindrical, conical, pyramidal and / or spherical segment-like.
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