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Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine Elektrodenanordnung für eine Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers, ein System zur Herstellung einer Elektrodenanordnung für eine Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers und eine Elektrodenanordnung für eine Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers, gemäß den beigefügten Ansprüchen.
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Stand der Technik
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Eine mit einem Katalysator beschichtete Membran, catalyst coated membrane oder CCM genannt, ist ein zentrales Element einer Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers, wie bspw. einem Brennstoffzellensystem oder einem Elektrolysesystem.
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Eine solche Membran besteht zu einem Großteil aus einem Fluorpolymer, der Perfluorsulfonsäure (PFSA), die als lonomer bezeichnet wird. Der Katalysator ist ein Bestandteil hochporöser Gasdiffusionselektroden, in denen im Betrieb Prozessgase reagieren und somit eine Ladungsträgerzeugung stattfindet.
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Ein solcher Katalysator besteht in der Regel aus nanoskaligen Platinpartikeln, die auf einem Rußpartikel als Träger aufgebracht sind, an deren Oberfläche die Katalyse erfolgt. Dabei entstehende Elektronen fließen über ein Netzwerk aus Rußpartikeln ab.
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Ein weiterer Bestandteil einer Gasdiffusionselektrode ist ein Ionomer, wie es auch in der Membran Verwendung findet. Über das Ionomer werden bei der Katalyse entstehende Wasserstoffionen transportiert.
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Sowohl die Elektronen- als auch die Ionenleitfähigkeit sind maßgeblich für die Leistungsfähigkeit der Elektroden.
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Zur Herstellung von Elektrodenanordnungen sind Prozesse bekannt, bei denen Katalysatorpartikel mit einem in einem oder mehreren Lösemitteln gelösten lonomer gemischt werden, sodass diese eine niederviskose Elektrodendispersion bilden, die großtechnisch und wirtschaftlich zur Beschichtung einer Membran eingesetzt werden kann.
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Anschließend wird die flüssige Beschichtung durch Entfernen der Lösemittel verfestigt. Das lonomer verteilt sich hierbei in den Zwischenräumen der Katalysatorpartikel und reduziert somit die Porosität der Gasdiffusionselektrode.
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Die katalytische Reaktion der Gase findet an der katalytisch aktiven Oberfläche des Katalysators, in der Regel Platin- oder Platinlegierungspartikel, statt. Die Größe der gesamten aktiven Oberfläche ist ein Faktor für die Leistungsfähigkeit der Elektrode. Ein weiterer signifikanter Faktor ist die Mikrostruktur der Gasdiffusionselektroden, da Sie die Gasmenge bestimmt, die zur katalytisch aktiven Oberfläche gelangen kann.
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Die Gasdiffusionselektroden zeigen eine Porosität mit einer bestimmten Porengrößenverteilung in denen die Reaktionsgase zur Oberfläche des Katalysators transportiert werden. Diese Porosität ergibt sich aus einem Netzwerk der Katalysatorpartikel. Das enthaltene lonomer befindet sich in den Poren der Gasdiffusionselektroden und reduziert je nach Menge unterschiedlich stark deren Porosität. Die verwendeten Lösemittel haben einen signifikanten Einfluss auf die Verteilung des lonomers in der Gasdiffusionselektrode und somit auf deren Mikrostruktur. Entsprechend geht eine Verbesserung der Ionenleitfähigkeit der Elektrode über die Menge und Verteilung des lonomers zulasten der Porosität der Elektrode und somit der Gasdiffusion in der Elektrode.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Herstellungsverfahren für eine Elektrodenanordnung für eine Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers, ein System zur Herstellung einer Elektrodenanordnung für eine Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers und eine Elektrodenanordnung für eine Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System bzw. der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient dazu, eine Elektrodenanordnung mit verbesserten Gastransporteigenschaften bereitzustellen.
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Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine Elektrodenanordnung für eine Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers vorgestellt.
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Das vorgestellte Herstellungsverfahren umfasst das Auftragen einer ersten Elektrodendispersion auf eine erste Transferwalze, das Auftragen einer zweiten Elektrodendispersion auf eine zweite Transferwalze, das Übertragen der ersten Elektrodendispersion und der zweiten Elektrodendispersion auf eine zwischen der ersten Transferwalze und der zweiten Transferwalze durchgeführte Membran, um die Elektrodenanordnung zu formen, wobei die erste Transferwalze eine erste Oberflächentextur aufweist, durch die beim Übertragen der ersten Elektrodendispersion auf eine erste Seite der Membran eine zu der ersten Oberflächentextur korrespondierende Oberflächentextur in einer durch die erste Elektrodendispersion gebildeten ersten Elektrode ausgeformt wird, wobei die zweite Transferwalze eine zweite Oberflächentextur aufweist, durch die beim Übertragen der zweiten Elektrodendispersion auf eine zweite Seite der Membran eine zu der zweiten Oberflächentextur korrespondierende Oberflächentextur in einer durch die zweite Elektrodendispersion gebildeten zweiten Elektrode ausgeformt wird.
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Unter einer Oberflächentextur ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine sich räumlich verändernde Oberfläche zu verstehen, die bspw. eine Vielzahl Einzelstrukturen umfasst, die sich von einer Grundfläche, bspw. einer Ebene, aus erheben.
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Erfindungsgemäß wird die Oberflächentextur der jeweiligen Transferwalzen in durch eine jeweilige Elektrodendispersion gebildete Elektrode übertragen, bspw. eingeprägt, sodass die Oberflächentextur einer jeweiligen Transferwalze sich in einer jeweiligen Elektrode abbildet bzw. die Elektrode selbst die Oberflächentextur bzw. ein Negativ der Oberflächentextur zeigt.
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Das vorgestellte Herstellungsverfahren ermöglicht ein Einstellen von Gastransporteigenschaften der Elektroden einer Elektrodeneinheit weitgehend unabhängig von deren Ionenleitfähigkeit. Dazu wird eine Elektrodendispersion auf eine Transferwalze aufgetragen. Optional wird auf der Transferwalze zunächst ein Großteil eines Lösemittels der Elektrodendispersion entfernt und die Elektrodendispersion anschließend mit einem definierten Restgehalt an Lösemittel auf eine Membran übertragen.
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Der Restgehalt an Lösemittel in der Elektrodendispersion bestimmt dabei eine Haftung einer daraus geformten Elektrode auf der Membran.
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Erfindungsgemäß werden Transferwalzen verwendet, die eine Oberflächentextur aufweisen, die eine Oberfläche der Elektroden, im Folgenden auch Gasdiffusionselektroden genannt, ausformen. Dies bedeutet, dass die Oberflächentextur einer jeweiligen Transferwalze eine Oberflächentextur einer durch die Transferwalze gebildeten Elektrode bestimmt bzw. formt, sodass sich in der Elektrode ein räumliches Muster ausbildet, das eine Gaseintrittsfläche der Elektrode maximiert, insbesondere gegenüber einer flachen Elektrode vergrößert.
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Entsprechend stellt das vorgestellte Herstellungsverfahren eine Elektrodenanordnung bereit, die einen gegenüber bekannten bzw. flachen Elektrodenanordnungen verbesserten Gastransport in die Gasdiffusionselektroden zeigen, wodurch eine energetische Effizienz und eine Langlebigkeit eines entsprechenden elektrochemischen Energiewandlers, in dem durch das vorgestellte Herstellungsverfahren hergestellte Elektrodenanordnungen zum Einsatz kommen, maximiert werden.
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Insbesondere ermöglicht das vorgestellte Herstellungsverfahren eine verbesserte Kontrolle einer mikroporösen Struktur jeweiliger Elektroden, dadurch, dass eine Übertragung der Elektrodendispersion auf die Membran in einer Druckzone erfolgt, die aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Walzenanordnung auf eine schmale Linie begrenzt ist. Entsprechend steht die Elektrodenanordnung nur für sehr kurze Zeit unter einer Druckbelastung, wodurch sich die mechanische Belastung und Deformation auf ein Minimum reduziert.
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Es kann vorgesehen sein, dass die erste Oberflächenstruktur und/oder die zweite Oberflächentextur durch eine Vielzahl Einzelstrukturen gebildet wird, wobei die Einzelstrukturen eine laterale Ausdehnung zwischen 10 µm und 100 µm und eine Tiefe zwischen 50 µm und 100 µm aufweisen.
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Bspw. können die Einzelstrukturen Rillen, invertierte Pyramiden, Hexagone, Kalotten oder auch komplexere dreidimensionale Geometrien bilden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die erste Transferwalze und die zweite Transferwalze in einem Abstand zwischen 0 mm und 1 mm zueinander gedreht werden.
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Die Übertragung der Elektrodendispersionen von den beiden Transferwalzen auf die Membran erfolgt insbesondere durch Abrollen der Transferwalzen an gegenüberliegenden Seiten der Membran entlang, sodass beide Elektroden zeitgleich bzw. parallel geformt werden und die beiden Transferwalzen einen auf die Elektrodenanordnung wirkenden Druck, insbesondere durch ihren Abstand zueinander und/oder eine Elastizität ihrer Oberflächen, einstellen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass vor dem Übertragen der ersten Elektrodendispersion und der zweiten Elektrodendispersion auf die Membran die erste Elektrodendispersion und die zweite Elektrodendispersion solange getrocknet werden, bis sich in diesen ein vorgegebener Restgehalt an Lösemittel einstellt.
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Elektroden für bspw. PEM Brennstoffzellen bestehen aus einem Katalysator, in der Regel Platin oder Platinlegierungen, der in Form kleiner Partikel (< 5 nm) auf größeren Rußpartikeln (< 100 nm) als Träger und Elektronenleiter vorliegt sowie einem Wasserstoffionen leitenden Polymer, dem lonomer. Beide Materialien werden in einem Lösungsmittelgemisch aus Wasser und Alkohol, wie bspw. Ethanol, Propanol oder Glykol dispergiert. Durch Trocknen, bspw. unter Verwendung eines Trocknungsgeräts, wie bspw. einem Gebläse oder einem Infrarotstrahler, kann ein Anteil des Lösungsmittelgemischs in einer Elektrodendispersion soweit reduziert werden, dass diese sich formen und auf eine Membran übertragen lässt.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass zum Trocknen der ersten Elektrodendispersion und der zweiten Elektrodendispersion mindestens ein Trockenaggregat verwendet wird, das in einem Abstand zwischen 1 mm und 100 mm zu der ersten Transferwalze und/oder der zweiten Transferwalze angeordnet ist.
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Bspw. können zum Trocknen der ersten Elektrodendispersion und der zweiten Elektrodendispersion unterschiedliche bzw. unterschiedlich eingestellte Trockenaggregate verwendet werden, sodass unterschiedliche Elektrodendispersionen auf einen spezifischen Lösungsmittelgehalt eingestellt werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die erste Transferwalze und die zweite Transferwalze auf eine Temperatur zwischen 50 °C und 200 °C aufgeheizt werden.
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Durch ein Aufheizen der Transferwalzen wird zum einen ein Trocknen der jeweiligen Elektrodendispersion und zum anderen ein leichtes Ablösen und Verformen der jeweiligen Elektrodendispersion bzw. Elektroden erreicht.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die erste Transferwalze und die zweite Transferwalze jeweils einen Durchmesser zwischen 1 Meter und 4 Meter aufweisen und mit einer Umfangsgeschwindigkeit zwischen 0,5 Meter pro Minute und 1 Meter pro Minute gedreht werden.
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Durch einen entsprechend groß gewählten Walzendurchmesser kann in einer Umdrehung der Transferwalzen ein Auftragen, eine Trocknung und eine anschließende Übertragung von Elektrodendispersion auf die Membran erfolgen.
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Das Übertragen der Elektrode auf die Membran wird unterstützt durch eine spezielle Gestaltung der Oberfläche der Transferwalzen derart, dass diese eine niedrige Oberflächenenergie und definierte Elastizität zeigen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die erste Elektrodendispersion auf die erste Transferwalze und/oder die zweite Elektrodendispersion auf die zweite Transferwalze durch eine Apparatur der folgenden Liste an Apparaturen aufgetragen wird: Schlitzdüse, die senkrecht oder in einem Winkel kleiner 90° zur Walzenoberfläche und in einem Abstand zwischen 0,1 mm und 1 mm zur Walzenoberfläche angeordnet ist, gravierte Walze, zylindrisches Siebgewebe, Sprühvorrichtung.
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Durch die Geometrie der Schlitzdüse, der gravierten Walze oder des Siebgewebes oder durch die Förderrate der Sprühvorrichtung und die Zusammensetzung der Elektrodendispersion wird maßgeblich ein für die Funktion bspw. einer Brennstoffzelle nötiger Platingehalt der Gasdiffusionselektroden bestimmt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein System zur Herstellung einer Elektrodenanordnung für eine Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers.
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Das vorgestellte System umfasst eine erste Transferwalze, eine zweite Transferwalze und eine Membranzuführeinrichtung, wobei die Membranzuführeinrichtung dazu konfiguriert ist, eine Membran zwischen der ersten Transferwalze und der zweiten Transferwalze hindurchzuführen, wobei die erste Transferwalze dazu konfiguriert ist, eine erste Elektrodendispersion auf eine erste Seite der Membran zu übertragen, wobei die erste Transferwalze dazu konfiguriert ist, eine erste Elektrodendispersion auf eine erste Seite der Membran zu übertragen, wobei die erste Transferwalze eine erste Oberflächentextur aufweist, die dazu konfiguriert ist, eine korrespondierende Oberflächenstruktur in einer durch die erste Elektrodendispersion gebildeten ersten Elektrode auszuformen, wobei die zweite Transferwalze dazu konfiguriert ist, eine zweite Elektrodendispersion auf eine zweite Seite der Membran zu übertragen, wobei die zweite Transferwalze eine zweite Oberflächentextur aufweist, die dazu konfiguriert ist, eine korrespondierende Oberflächentextur in einer durch die zweite Elektrodendispersion gebildeten zweiten Elektrode auszuformen.
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Somit bringt das erfindungsgemäße System die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren beschrieben worden sind.
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Das vorgestellte System dient insbesondere zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens.
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Es kann vorgesehen sein, dass die erste Transferwalze und/oder die zweite Transferwalze mit mindestens einem Material der folgenden Liste an Materialien beschichtet ist: PTFE, ETFE, EPDM, PEN, PET.
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Kunststoffe, wie bspw. PTFE, ETFE, EPDM, PEN oder PET, ermöglichen ein besonders leichtes und sicheres bzw. beschädigungsfreies Ablösen einer Elektrodendispersion von einer Transferwalze, da diese besonders glatt und/oder besonders flexibel bzw. weich sind.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die erste Transferwalze und/oder die zweite Transferwalze eine Oberfläche aufweist, die eine Oberflächenenergie zwischen 15 mN/m und 30 mN/M und ein hohes Elastizitätsmodul von 1 bis 100 MPa bei einer geringen Härte von 50 bis 100°ShoreA aufweist.
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Durch eine geringe Oberflächenenergie zwischen 15 mN/m und 30 mN/M, insbesondere von 19 mN/M oder 25 mN/M löst sich die zu übertragende Elektrodenanordnung sehr leicht von der Transferwalze, sodass darauf keine Rückstände verbleiben. Durch die hohe Elastizität mit einem Elastizitätsmodul von 1 bis 100 MPa insbesondere zwischen 30 und 60 MPa und einer geringen Härte zwischen 50 und 100°ShoreA insbesondere zwischen 70 und 90°ShoreA wird ein auf die Elektrodenanordnung wirkender Druck in der Oberfläche einer jeweiligen Transferwalze verteilt, sodass die Elektrodenanordnung vor großer mechanischer Belastung geschützt wird. Insbesondere ermöglicht eine derartige Elastizität eine zumindest teilweise Verformung der Oberfläche einer jeweiligen Transferwalze, sodass sich die Elektrodendispersion besonders leicht von der Transferwalze ablöst.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das System zur Durchführung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Herstellungsverfahrens konfiguriert ist.
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Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung eine Elektrodenanordnung für eine Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers.
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Die vorgestellte Elektrodenanordnung umfasst eine Membran, eine auf einer ersten Seite der Membran angeordnete erste Elektrode und eine auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Membran angeordnete zweite Elektrode, wobei die Elektrodenanordnung hergestellt ist durch eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Herstellungsverfahrens.
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Aufgrund des vorgestellten Herstellungsverfahrens zeigt die vorgestellte Elektrodenanordnung auf den Oberflächen ihrer Elektroden eine Textur, insbesondere ein charakteristisches Muster, das bspw. einen Code, d. h., einen Alphanumerischen bzw. Zahlen- Buchstaben oder maschinenlesbaren Code umfasst.
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Vorteile, die ausführlich zu dem Herstellungsverfahren für eine Elektrodenanordnung für eine Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben werden, gelten gleichermaßen bei dem System zur Herstellung einer Elektrodenanordnung für eine Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und der Elektrodenanordnung für eine Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung und jeweils umgekehrt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 eine Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Herstellungsverfahrens,
- 2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Systems, und
- 3 eine Detailansicht einer gemäß dem vorgestellten Herstellungsverfahren hergestellten Ausgestaltung der vorgestellten Elektrodenanordnung.
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In 1 ist ein Herstellungsverfahren 100 für eine Elektrodenanordnung für eine Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers dargestellt.
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Das Herstellungsverfahren 100 umfasst einen ersten Auftragungsschritt 101, bei dem eine erste Elektrodendispersion auf eine erste Transferwalze aufgetragen wird, einen zweiten Auftragungsschritt 103, bei dem eine zweite Elektrodendispersion auf eine zweite Transferwalze aufgetragen wird und einen Übertragungsschritt 105, bei dem die erste Elektrodendispersion und die zweite Elektrodendispersion auf eine zwischen der ersten Transferwalze und der zweiten Transferwalze durchgeführte Membran übertragen wird, um die Elektrodenanordnung zu formen.
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Dabei weist die erste Transferwalze eine erste Oberflächentextur auf, durch die beim Übertragen der ersten Elektrodendispersion auf eine erste Seite der Membran eine zu der ersten Oberflächentextur korrespondierende Oberflächentextur in einer durch die erste Elektrodendispersion gebildeten ersten Elektrode ausgeformt wird.
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Weiterhin weist die zweite Transferwalze eine zweite Oberflächentextur auf, durch die beim Übertragen der zweiten Elektrodendispersion auf eine zweite Seite der Membran eine zu der zweiten Oberflächentextur korrespondierende Oberflächentextur in einer durch die zweite Elektrodendispersion gebildeten zweiten Elektrode ausgeformt wird.
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In 2 ist ein System 200 zur Herstellung einer Elektrodenanordnung für eine Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers dargestellt.
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Das System 200 umfasst eine erste Transferwalze 201, eine zweite Transferwalze 203 und eine Membranzuführeinrichtung 205, wobei die Membranzuführeinrichtung 205 dazu konfiguriert ist, eine Membran 207 zwischen der ersten Transferwalze 201 und der zweiten Transferwalze 203 hindurchzuführen. Dazu umfasst die Membranzuführeinrichtung 205 eine Zuführwalze 209, Spannwalzen 211 und eine Aufnahmewalze 213, auf die die fertige Elektrodenanordnung aufgewickelt wird.
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In den Transferwalzen 201, 203 und um die Transferwalzen 201, 203 herum sind Heizelemente 215 angeordnet, die die Membran 207 erhitzen und/oder auf die Transferwalzen 201, 203 aufgebrachte Elektrodendispersion trocknen.
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Die Transferwalzen 201, 203 haben jeweils einen Durchmesser zwischen 1 Meter und 4Meter und drehen sich mit einer Umfangsgeschwindigkeit zwischen 0,5Meter pro Minute und 1 Meter pro Minute gegenläufig und sind in Abstand zwischen 0mm und 1mm voneinander angeordnet.
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Durch Beschichtungselemente 217, 219 wird jeweilige Elektrodendispersion auf die Transferwalzen 201, 203 aufgetragen, bspw. mittels einer gravierten Beschichtungswalze, einem zylindrischen Siebgewebe oder einer Sprühvorrichtung aufgebracht.
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Reinigungselemente 221 und 223 reinigen die Transferwalzen 201, 203 kontinuierlich, sodass das Herstellungsverfahren 100 gemäß 1 in einem ununterbrochenen Prozess bzw. kontinuierlich ablaufen kann.
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In 3 ist ein Ausformen einer Elektrodenanordnung 300 durch das System 200 im Detail dargestellt.
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Die Elektrodenanordnung 300 umfasst die Membran 207 und auf jeweiligen Seiten der Membran 207 ausgebildete Elektroden 301, 303 umfasst.
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Hier ist gut erkennbar, dass die Oberflächen der Transferwalzen 201, 203 eine Oberflächentextur bspw. in Form von Pyramiden aufweisen, die eine korrespondierende bzw. entsprechend negative Oberflächentextur in Form von versetzten bzw. negativen Pyramiden in den Elektroden 301, 303 ausbilden.
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Aufgrund der Oberflächentextur ist eine Gasdiffusionsfläche der Elektroden 301, 303 besonders groß.