Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektrodeneinheit für eine

Brennstoffzelle

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Membran- Elektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle nach dem unabhängigen

Verfahrensanspruch. Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Membran- Elektrodeneinheit nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch. Zudem betrifft die Erfindung eine entsprechende Brennstoffzelle nach dem nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruch.

Stand der Technik

Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler. Bei Polymerelektrolyt- Membran- Brennstoffzellen oder einfach kurz PEM-Brennstoffzellen werden die Reaktanten Wasserstoff und Sauerstoff zur Energiegewinnung in Wasser, elektrische Energie und Wärme umgewandelt. Nach dem Stand der Technik werden PEM-Brennstoffzellen als Stapel aus Wiederholeinheiten, umfassend einen Kathodenbereich, eine Bipolarplatte, einen Anodenbereich und eine Membran- Elektrodeneinheit aufgebaut. Die Bipolarplatte ist elektrisch leitfähig, aber für Gase und Ionen undurchlässig. Die Bipolarplatte verteilt mittels einer Stegstruktur im Millimeterbereich im Anodenbereich z. B. Wasserstoffgas und im Kathodenbereich z. B. Sauerstoffgas oder Luft. Um den Übergang und die Verteilung der Gase aus der Millimeterstrukturierung der Bipolarplatte auf die nanoskaligen Katalysatorpartikel der Membran- Elektrodeneinheit zu erleichtern, ist eine poröse Zwischenlage (bspw. Gasdiffusionslage, GDL) zwischen der Bipolarplatte und der Membran- Elektrodeneinheit erforderlich. Diese

Zwischenlage kann bspw. als ein poröses Vlies aus Kohlenstofffasern ausgebildet sein. Dabei können Faserenden der Kohlenstofffasern

herstellungsbedingt senkrecht von der Oberfläche der Zwischenlage abstehen. Werden solche Vliese durch die Stegstruktur der Bipolarplatte gedrückt, wird die Porosität unter den Stegen drastisch reduziert und es kommt insbesondere unter diesen Stegen zu Ansammlungen von Produktwasser. Die Ansammlungen von Produktwasser behindern insbesondere auf der Sauerstoff- bzw. Luftseite die notwendige Diffusion von Sauerstoff bzw. Luft. Damit wird die lokale Stromdichte und Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle eingeschränkt. Um Wasser aus den Vliesen austreiben zu können, werden manche bekannte Vliese mit einer hydrophobischen Beschichtung versehen. Durch das Aufbringen der

hydrophobischen Beschichtung, bspw. mittels Aufsprühen, kann es jedoch zu einem partiellen oder vollständigen Verschluss der offenen Porenstruktur kommen, sodass das Vlies zwar eine hydrophobe Beschichtung aufweist, die Porenstruktur zum Austreiben des kondensierten Wassers jedoch verengt oder verschlossen ist. Auch der Zutritt von Sauerstoff bzw. Luft an die Membran wird damit verhindert.

Derzeit werden in den Brennstoffzellen relativ dünne Membranen mit einer Materialstärke von wenigen Mikrometern gefordert. Solche Membranen können nicht oder nur mit erheblichem Aufwand und großer Ausschussrate als frei tragende Filme gehandhabt werden. Daher werden diese sehr dünnen

Membranen derzeit direkt auf eine Seite des Vlieses beschichtet. Da die

Faserstruktur an der Oberfläche des Vlieses nicht eben ist, kann eine wellige Membran ausbildet sein. Eine wellige Membran erlaubt keinen guten Kontakt zur Gasdiffusionslage der Gegenseite. Oft werden die Vliese mit einer mikroporösen Schicht beschichtet, die durch Aufsprühen einer Partikelsuspension, Trocknen und Sintern derselben mit dem Faservlies verbunden wird. Dabei wird durch den Auftragungsprozess die Oberflächenwelligkeit des Vlieses nachgezeichnet. Zudem kann beim direkten Beschichten des Vlieses mit einer Partikelsuspension oder mit einer Membranlösung, aus der die Membran gebildet wird, die Lösung oder Suspension in die Vertiefungen in der Faserstruktur eindringen und diese ausfüllen. Eine derart eingedrungene Lösung oder Suspension kann die

Porenstruktur der Gasdiffusionslage verschließen und den Gasfluss sowie Wasserabtransport behindern. Zudem kann eine solche Membran oder mikroporöse Lage eine inhomogene Dicke aufweisen und somit einen inhomogenen elektrischen Widerstand bewirken. Dadurch können lokal unterschiedliche Stromstärken auftreten, wodurch die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle eingeschränkt werden kann.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung sieht ein Verfahren zum Herstellen einer Membran- Elektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle nach dem unabhängigen

Verfahrensanspruch vor. Ferner sieht die Erfindung eine entsprechende

Membran- Elektrodeneinheit nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch vor. Zudem sieht die Erfindung eine entsprechende Brennstoffzelle nach dem nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruch vor. Weitere Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Vorteile, Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen

Membran- Elektrodeneinheit sowie der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen

Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Herstellen einer Membran- Elektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle vor, die eine, insbesondere

mikroporöse, Elektrodeneinheit aufweist, wobei die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit dazu ausgeführt ist, als eine Gasdiffusionslage zu dienen, aufweisend folgende Schritte:

1) Bereitstellen von partikelförmigen Komponenten (a, b):

a) eines Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulats,

b) eines polyvinylidenfluoridhaltigen Granulats (PVDF),

2) Vermischen von wenigstens einem Teil der Komponente a) mit der

Komponente b) bis die Komponente b) an Partikeln der Komponente a) an haftet,

3) Vermischen einer im Schritt 2) gewonnenen Vormischung mit einem

restlichen Teil der Komponente a),

4) Auswalzen oder Extrudieren einer im Schritt 3) gewonnenen Mischung zu einem bandförmigen Material, welches die Elektrodeneinheit (MPL) bildet. Als eine Membran- Elektrodeneinheit im Rahmen der Erfindung kann eine, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit verstanden werden, die

Katalysatormaterial für die elektrochemische Reaktion, bspw. Platin, aufweisen kann und die mit einer ionenleitfähigen Membran beschichtet werden kann. Die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit im Rahmen der Erfindung kann, mit oder ohne einer separaten faserbasierten Zwischenlage, als eine

Gasdiffusionslage dienen. Die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit im Rahmen der Erfindung weist eine im Vergleich zu einer faserbasierten

Gasdiffusionslage oder im Vergleich zu einer partikelbasierten mikroporösen Schicht, die direkt auf ein Faservlies beschichtet wird, eine wesentlich glattere Oberfläche auf. Die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit im Rahmen der Erfindung eignet sich auf eine vorteilhafte Weise zur Beschichtung mit einer dünnen Membran mit einer Materialstärke von wenigen Mikrometer, die eine gleichmäßige, vorteilhafterweise ebene, Lage auf der Oberfläche der

erfindungsgemäßen, insbesondere mikroporösen, Elektrodeneinheit bildet. Die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit im Rahmen der Erfindung weist eine Porenstruktur im Nanometerbereich und eine Materialstärke von lOpm bis 150pm, bevorzugt 20pm bis 70pm auf. Die Komponente a) dient für eine elektrische Leitfähigkeit der fertigen Elektrodeneinheit. Die Komponente b) agiert als Binder und/oder als eine hydrophobe Beschichtung der Partikel der

Komponente a).

Für Brennstoffzellenelektroden werden hohe Gehalte an hydrophoben

Oberflächen benötigt, die durch Beifügen von Polymeren, wie z. B.

Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder Polytetrafluorethylen (PTFE) in Form von Mischungen erhalten werden können. Diese hydrophoben Bestandteile müssen in der Mischung gleichmäßig verteilt und mit den Kohlenstoff- und/oder

Graphitpartikeln fixiert sein.

Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass Polymere, wie z. B.

Polyvinylidenfluorid (PVDF) (Komponente b)) ggf. mit Polytetrafluorethylen (PTFE) (Komponente c), und leitfähige Partikel, wie z. B. Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulat (Komponente a)), die ähnliche Dichten und Partikelgrößen aufweisen können, intensiv und schnell vermischt werden, bspw. durch eine Fluidisierung in einem Luftstrom. Das Fixieren dieser Mischung erfolgt durch thermisches Aktivieren, also Anschmelzen der Polymere im Schritt 2) und/oder im Schritt 3), ggf. durch Benetzen mit einer Binderlösung oder Bindersuspension in einem optionalen Schritt 2a). Die fertige Mischung weist vom Schritt 2) zum Schritt 3) weist immer mehr Agglomerate auf. Die Mischung umfasst im Rahmen der Erfindung einen Binder auf Kunststoffbasis, insbesondere das

polyvinylidenfluoridhaltige Granulat (PVDF), welches besonders vorteilhaft für eine zusammenhängende Mischung ist, die auf eine vorteilhafte Weise zu einem dünnen (vorteilhafterweise dehnbaren) bandförmigen Material mit einer

Materialstärke von lOpm bis 150pm, bevorzugt 20pm bis 70pm verarbeitet werden kann. In den Schritten 2) und 3) erfolgt im Rahmen der Erfindung eine Vorgranulierung der Partikel des Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulats nach und nach zu einer Granulierung des Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulats. Durch das polyvinylidenfluoridhaltige Granulat (PVDF) wird erfindungsgemäß ermöglicht, dass aus der im Schritt 5) bereitgestellte Mischung ein dünnes bandförmiges Material über einen Extrusions- oder Walzprozess hergestellt werden kann, welches eine Basis für die Membran- Elektrodeneinheit einer Brennstoffzelle bilden kann. Beim Auswalzen treten mechanische Kräfte an und in den Agglomeraten auf, die durch kleine Relativbewegungen der Graphitpartikel bzw. Agglomerate zueinander entstehen. Auch werden dadurch die Polymere gedehnt, so dass weitere Graphitanbindungsstellen entstehen die durch die lokalen Kräfte und die Relativbewegung an die Graphitpartikel gepresst werden. So wird eine einfache Filmbildung ermöglicht.

Ferner kann die Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran- Elektrodeneinheit vorsehen, dass im Schritt 2) und/oder im Schritt 3) ein Lösemittel und/oder Wasser mit einem (jeweiligen) Massenanteil von 1 bis 10 Gew% innerhalb der Vormischung oder der Mischung zugegeben wird. Das Lösemittel kann dabei helfen, dass die Komponente b) verflüssigt wird und eine Vorgranulierung oder eine Granulierung der Partikel der Komponente a) erfolgen kann. Das Wasser kann wiederum bewirken, dass die Partikel der Komponente a) in den Schritten 2) und 3) nicht beschädigt werden. Die im Schritt 3) bereitgestellte bzw. fertige Mischung ist eine zusammenhängende Mischung, die weder flüssig noch pastös ist, die aber augenscheinlich trocken bleibt, da das Wasser nur die Partikeloberflächen benetzt aber die Mischung auf Grund der geringen Menge nicht fluidisiert. Das Lösemittel und/oder Wasser können im Schritt 4) weitestgehend verdampfen. Grundsätzlich ist es denkbar, dass nach dem Schritt 4) ein Schritt zu einer Trocknung des bandförmigen Materials vorgesehen sein kann.

Weiterhin kann die Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran- Elektrodeneinheit vorsehen, dass im Schritt 1) die Komponente b) in Form einer wässrigen Lösung mit einem Massenanteil von 30 bis 70 Gew% innerhalb der wässrigen Lösung bereitgestellt wird. Auf diese Weise kann die Vermischung der Komponenten a) und b) und/oder die Granulierung der Partikel der Komponente a) begünstigt werden.

Des Weiteren kann die Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran- Elektrodeneinheit vorsehen, dass im Schritt 1) die Komponenten (a, b) in einem Massenverhältnis 1:1 bis 20:1, vorzugsweise 10:1, bereitgestellt werden, und/oder im Schritt 2) die Komponenten (a, b) in einem

Massenverhältnis 4:1 bis 19:1, vorzugsweise 9:1, bereitgestellt werden. Somit kann eine portionsweise bzw. tlw. Beimischung des Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulats (bzw. Komponente a) zu einer Vormischung erfolgen, die mit jeder Zugabe einer weiteren Portion bzw. eines weiteren Teils der Komponente a) immer mehr an Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulat (bzw. an Komponente a) in der fertigen Mischung aufweist. Zugleich verbleibt in der fertigen Mischung ausreichend Binder in Form der Komponente b), der für einen Zusammenhalt der fertigen Mischung sorgt, sodass diese Mischung als eine zusammenhängende Mischung zu einem bandförmigen Material verarbeitet werden kann.

Zudem kann die Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran- Elektrodeneinheit vorsehen, dass im Schritt 1) der Komponente b) Polytetrafluorethylen-Granulat (PTFE) beigemischt wird, und/oder im Schritt 1) Polyvinylidenfluorid-Granulat (PVDF) und Polytetrafluorethylen-Granulat (PTFE) in einem Massenverhältnis 1:1 bis 5:1, vorzugsweise 1:1, bereitgestellt werden. Das Polytetrafluorethylen-Granulat (PTFE) eignet sich auf eine vorteilhafte Weise als ein Binder, der sich plastisch verformen und daher gut in Kontakt mit Partikeln bringen lässt sowie den Partikel- Kontakt auch bei mechanischer Belastung erhält und sich bei mechanischer Belastung eher zwischen den Partikeln dehnt. Das Polyvinylidenfluorid-Granulat (PVDF) eignet sich auf eine vorteilhafte Weise als ein Binder, der ausreichend stabil ist, um zu dünnen, elastischen Folien verarbeitet werden zu können. In einem entsprechenden Verhältnis zwischen dem Polyvinylidenfluorid-Granulat (PVDF) und dem Polytetrafluorethylen- Granulat (PTFE) wird eine Kombination an guter Bindung und Zugfestigkeit zur Herstellung und Verarbeitung als bandförmiges Material bei relativ geringen Materialstärke von 20 bis 70 mhh erreicht.

Außerdem kann die Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran- Elektrodeneinheit vorsehen, dass im Schritt 2) ein Vorgranulieren der Partikel der Komponente a) mit dem Material der Komponente b) erfolgt, und/oder dass der Schritt 2) bei einer Temperatur von > 19 °C ausgeführt wird, und/oder dass der Schritt 2) mittels Extrudieren, Kneten, Mischen, Pressen oder Walzen ausgeführt wird. Somit kann eine, vorteilhafterweise trockene, also lösemittelfreie, Vormischung hergestellt werden. Bei einer Temperatur von >

19 °C erfolgt eine Umwandlung des Polymergefüges, das plastifizierbar wird, sodass ein Vorgranulieren von wenigstens einem Teil der Komponente a) ermöglicht werden kann. Zugleich verbleibt die Komponente b) in einem ausreichenden Maße körnig, sodass eine weitere Beimischung an Komponente a) nach und nach im Schritt 3) erfolgen kann.

Ferner kann die Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran- Elektrodeneinheit vorsehen, dass im Schritt 3) ein Granulieren der Partikel der Komponente a) mit dem Material der Komponente b) erfolgt, und/oder dass der Schritt 3) bei einer Temperatur von 50 °C bis 400 °C, insbesondere 150 °C und 240 °C, ausgeführt wird, und/oder dass der Schritt 3) mittels Wirbelschichtgranulierung ausgeführt wird. Somit kann eine,

vorteilhafterweise zusammenhängende, Mischung hergestellt werden, die zu einem bandförmigen Material verarbeitet werden kann. Bei einer Temperatur von 50 °C bis 400 °C, insbesondere 150 °C und 240 °C, kann der Binder bzw. die Komponente b) verschmelzen und eine Granulierung der Partikel der

Komponente a) bewirken.

Weiterhin kann die Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran- Elektrodeneinheit vorsehen, dass im Schritt 4) mindestens eine Walze oder eine Extruderschnecke auf eine Temperatur 50 °C bis 400 °C, insbesondere 150 °C und 240 °C, beheizt wird. Somit kann ein Verdampfen des ggf.

vorhandenen Lösemittels und/oder Wassers erfolgen. Zudem kann ein Glätten des bandförmigen Materials erfolgen.

Des Weiteren kann die Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran- Elektrodeneinheit vorsehen, dass in einem weiteren Schritt 5) ein Benetzen des bandförmigen Materials mit einer katalytischen Lösung oder ein Beschichten des bandförmigen Materials mit einer Katalysatorschicht erfolgt. Somit kann auf der Oberfläche des bandförmigen Materials eine

Katalysatorschicht ausgebildet werden, die für eine Auslösung der chemischen Reaktion an der aktiven Fläche der Membran dienen kann.

Gleichwohl und/oder zusätzlich ist es denkbar, dass im Schritt 1) mindestens ein Teil der Partikel der Komponente a) mit einem Katalysator benetzt oder beschichtet ist. Auf diese Weise können in der Vormischung im Schritt 2) und in der Mischung im Schritt 3) Partikel mit unterschiedlichen Eigenschaften verarbeitet werden. Die Partikel mit einem Katalysator können unmittelbar bzw. ohne eine weitere Verarbeitung der Oberfläche des bandförmigen Materials eine Katalysatorschicht zur Auslösung der chemischen Reaktion an der aktiven Fläche der Membran dienen.

Zudem kann die Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran- Elektrodeneinheit vorsehen, dass in einem weiteren Schritt 6) ein Bedrucken des bandförmigen Materials mit einer ionenleitfähigen Membran zu einem mehrlagigen Material erfolgt. Somit kann ein mehrlagiges Material bereitgestellt werden, aus welchem die einsatzfertige Membran- Elektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle zugeschnitten werden kann.

Außerdem kann die Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran- Elektrodeneinheit vorsehen, dass in einem weiteren Schritt 7) ein Zuschneiden des mehrlagigen Materials zu einer Membran- Elektrodeneinheit erfolgt. Somit kann eine einsatzfertige Membran- Elektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle bereitgestellt werden. Ferner sieht die vorliegende Erfindung eine Membran- Elektrodeneinheit vor, die mithilfe eines Verfahrens hergestellt werden kann, welches wie oben

beschrieben ausgeführt werden kann. Mithilfe der erfindungsgemäßen Membran- Elektrodeneinheit werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im

Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden.

Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.

Weiterhin sieht die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle mit einer

Membran- Elektrodeneinheit vor, die mithilfe eines Verfahrens hergestellt werden kann, welches wie oben beschrieben ausgeführt werden kann. Mithilfe der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle werden ebenfalls die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.

Zudem ist es bei einer Brennstoffzelle im Sinne der Erfindung denkbar, dass auf einer Kathodenseite eine Elektrodeneinheit mit einer darauf beschichteten Membran eingesetzt wird und auf einer Anodenseite eine Elektrodeneinheit mit oder ohne eine Beschichtung mit einer Membran eingesetzt wird, die miteinander verpresst, heiß verpresst, verklebt oder dergleichen sein können.

Außerdem ist es bei einer Brennstoffzelle im Sinne der Erfindung denkbar, dass die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit ohne eine weitere, bspw. faserige Zwischenlage, als eine Gasdiffusionslage dienen kann, um die

Verteilung der Reaktanten aus der Millimeterstrukturierung einer Bipolarplatte auf die nanoskaligen Katalysatorpartikel der Membran- Elektrodeneinheit zu erleichtern.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele:

Die erfindungsgemäße Membran- Elektrodeneinheit und die erfindungsgemäße Brennstoffzelle und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung einer Membran- Elektrodeneinheit im Sinne der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer Brennstoffzelle im Sinne der Erfindung, und

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung einer Membran-

Elektrodeneinheit im Sinne der Erfindung in einer vergrößerten Ansicht.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.

Die Figur 1 zeigt einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran- Elektrodeneinheit MEA für eine Brennstoffzelle 100 im Sinne der Erfindung. Die Brennstoffzelle 100 enthält eine, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit MPL, die dazu ausgeführt ist, als eine Gasdiffusionslage GDL zu dienen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

1) Bereitstellen von partikelförmigen Komponenten (a, b):

a) eines Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulats,

b) eines polyvinylidenfluoridhaltigen Granulats (PVDF) (oder mit

anderen Worten einer polyvinylidenfluoridhaltigen Mischung, ggf. mit optionalen weiteren Polymeren, wie z. B. einem Polytetrafluorethylen (PTFE) und/oder einem Acrylat),

2) Vermischen von wenigstens einem Teil der Komponente a) mit der

Komponente b) bis die Komponente b) an Partikeln der Komponente a) an haftet.

Der Schritt 2) erfolgt z. B. durch Mischen der Komponenten (a, b) in einem Wirbelschichtfließbett (F) oder in einem Schaufelmischer, vorzugsweise unter erhöhter Temperatur. Danach erfolgt optional ein weiteres Zugeben von

Komponente a), wenn der Gehalt der Komponente b), bei dem eine Anhaftung über erhöhte Temperatur erzielt werden kann, höher liegt als der gewünschte Polymergehalt eines zu fertigenden Bandmaterials - also Verdünnen der Vormischung mit weiterem Material der Komponente a). Im Schritt 2) erfolgt vorteilhafterweise eine Agglomeration der Komponenten (a, b).

In einem optionalen Schritt 2a) kann die Erfindung vorsehen:

2a) Vormischen und/oder Lösen einer weiteren partikelförmigen Komponente c), bspw. eines Polyvinylidenfluorid Granulats (PVDF) und/oder eines Polytetrafluorethylen-Granulats (PTFE) und/oder eines Acrylats, in einem Lösemittel und/oder Wasser in einem kontinuierlichen oder

diskontinuierlichen Mischprozess (B). Optional kann Einmischen von Leitrußen zum Verbessern der elektrischen Leitfähigkeit des

herzustellenden bandförmigen Materials im Schritt 2a) vorgesehen sein.

3) Vermischen einer im Schritt 2) gewonnenen Vormischung mit einem

restlichen Teil der Komponente a),

Der Schritt 3) kann vorzugsweise durch Vermischen der im Schritt 2a) gewonnenen, insbesondere flüssigen, Lösung oder Suspension mit der im Schritt 2) gewonnenen Vormischung erfolgen. Dies kann in einem Wirbelschichtfließbett (F) geschehen, in welchem die im Schritt 2) bereitgestellten partikelförmigen Komponenten mit der Lösung wenigstens tlw. beschichtet werden oder die Anhaftung der Komponenten a) und/oder b) verbessern. Vorteilhafterweise wird im Schritt 3) durch Entfernen des Lösemittels im Luftstrom des

Wirbelschichtfließbetts (F) eine zusätzliche Agglomeration der partikelförmigen Komponenten (a, b, c) erzielt, vorzugsweise durch die weitere partikelförmige Komponente c). Die elektrische und mechanische Anbindung der agglomerierten Bestandteile ist dabei sehr intensiv und gleichmäßig. Über Lösemittelgehalt, Luftstromgeschwindigkeit und den Massenverhältnissen der einzelnen

Komponenten zueinander können poröse oder dichte Agglomerate hergestellt werden, je nach Erfordernis der nachfolgenden Verarbeitung. In einem optionalen Schritt 3a) kann die Erfindung vorsehen:

3a) Bereitstellen einer Mischung aus den im Schritt 3) gewonnenen

Agglomeraten,

4) Auswalzen oder Extrudieren einer im Schritt 3) gewonnenen Mischung zu einem bandförmigen Material, welches die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit bildet bzw. aus welchem die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit zugeschnitten werden kann.

In der Darstellung der Figur 1 sind zwei weitere Komponenten c) und d) gezeigt, die optional im Schritt 2) der Vormischung und/oder im Schritt 4) der Mischung zugegeben werden können. Auf diese Komponenten c) und d) wird im Folgenden im Detail Bezug genommen.

Als eine Membran- Elektrodeneinheit MEA im Rahmen der Erfindung kann eine, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit MPL verstanden werden, die Katalysatormaterial für die elektrochemische Reaktion, bspw. Platin, aufweisen kann und die mit einer ionenleitfähigen Membran M beschichtet werden kann (vgl. die Figur 4). Die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit MPL im Rahmen der Erfindung kann, mit oder ohne einer separaten faserbasierten Zwischenlage, als eine Gasdiffusionslage GDL dienen (vgl. die Figur 3). Die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit MPL im Rahmen der Erfindung weist eine im Vergleich zu einer faserbasierten Gasdiffusionslage GDL eine wesentlich ebenmäßige Oberfläche auf (s. die Figur 4). Die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit PML im Rahmen der Erfindung eignet sich auf eine vorteilhafte Weise zur Beschichtung mit einer dünnen Membran M mit einer Materialstärke von wenigen Mikrometern, die eine gleichmäßige,

vorteilhafterweise ebene, Lage auf der Oberfläche der erfindungsgemäßen, insbesondere mikroporösen, Elektrodeneinheit MPL bildet (vgl. die Figur 4). Die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit MPL im Rahmen der Erfindung weist eine Porenstruktur im Nanometerbereich und eine Materialstärke von 20 bis 70 mhh auf. Die Komponente a) dient für eine elektrische Leitfähigkeit der fertigen Elektrodeneinheit MPL. Die Komponente b) agiert als Binder und/oder als eine hydrophobe Beschichtung der Partikel der Komponente a). In den Schriten 2) und 3) kann eine portionsweise bzw. tlw. Beimischung des Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulats (bzw. Komponente a) zu einer

Vormischung erfolgen, die mit jeder Zugabe einer weiteren Portion bzw. eines weiteren Teils der Komponente a) immer mehr an Kohlenstoff- und/oder Graphit- Granulat (bzw. an Komponente a) in der fertigen Mischung aufweist.

Die Mischung kann im Rahmen der Erfindung einen Binder auf Kunststoffbasis, bspw. das Polyvinylidenfluorid-Granulat (PVDF), als Komponente oder als Bestandteil der Komponente b), aufweisen. Weiterhin kann die Mischung im Rahmen der Erfindung einen weiteren Binder auf Kunststoffbasis, bspw.

Polytetrafluorethylen-Granulat (PTFE), als eine weitere optionale Komponente c) aufweisen. Die Erfindung kann dabei vorsehen, dass die Komponente c) im Schrit 1) der Komponente b) beigemischt wird. Ferner kann die Erfindung vorsehen, im Schrit 1) Polyvinylidenfluorid-Granulat (PVDF) und

Polytetrafluorethylen-Granulat (PTFE) in einem Massenverhältnis 1:1 bis 5:1, vorzugsweise 1:1, bereit zu stellen. In einem entsprechenden Verhältnis zwischen dem Polyvinylidenfluorid-Granulat (PVDF) und dem

Polytetrafluorethylen-Granulat (PTFE) wird eine Kombination an guter Bindung und sogar Dehnbarkeit sowie eine relativ geringe Materialstärke von 20 bis 70 mhh für das bandförmige Material erreicht.

In den Schriten 2) und 3) erfolgt im Rahmen der Erfindung eine Vorgranulierung der Partikel des Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulats nach und nach zu einer bestimmten, bspw. vollständigen, Granulierung des Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulats. Wiederum im Schrit 4) kann der Binder durch mechanische Bewegung gedehnt werden um somit eine größere Berührfläche für die

Verbindung des Graphites auszubilden.

Aus der Figur 1 ist ferner erkennbar, dass im Schrit 2) und/oder im Schrit 3) ein Lösemitel und/oder Wasser als eine weitere Komponente d) der Vormischung oder Mischung beigefügt werden kann, bspw. mit einem (jeweiligen)

Massenanteil von 1 bis 10 Gew% innerhalb der Vormischung oder der Mischung. Das Lösemitel kann dazu dienen, dass eine Vorgranulierung oder eine

Granulierung erfolgen kann. Das Wasser kann wiederum dazu dienen, dass die Partikel des Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulats dabei nicht beschädigt werden.

Somit kann im Schritt 3) eine zusammenhängende Mischung bereitgestellt werden, die weder flüssig noch pastös ist, die aber im Schritt 4) zu einem bandförmigen Material verarbeitet werden kann, bspw. mittels Auswalzen oder Extrudieren.

Die Komponenten b) und c) können in Form einer wässrigen Lösung mit einem (jeweiligen) Massenanteil von 30 bis 70 Gew% innerhalb der wässrigen Lösung bereitgestellt werden.

Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass im Schritt 1) das Kohlenstoff und/oder Graphit-Granulat in einem Massenverhältnis 1:1 bis 20:1, vorzugsweise 10:1, zum Binder oder zu den Bindern bereitgestellt wird, und/oder im Schritt 2) das Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulat in einem Massenverhältnis 4:1 bis 19:1, vorzugsweise 9:1, zum Binder oder zu den Bindern bereitgestellt wird.

Im Schritt 2) kann ein Vorgranulieren der Partikel der Komponente a) bei einer Temperatur von > 19 °C erfolgen. Zusätzlich kann im Schritt 2) eine

Vorgranulierung mittels Extrudieren, Kneten, Mischen, Pressen oder Walzen erfolgen.

Im Schritt 4) kann ein Granulieren der Partikel der Komponente a) bei einer Temperatur von 50 °C bis 400 °C, insbesondere 150 °C und 240 °C, erfolgen, je nachdem welche Schmelztemperatur der Binder oder die Mischung an Binder aufweist. Die Temperatur kann dabei von dem Mischverhältnis zwischen der Komponente b) und der Komponente c) abhängen.

Wie es in der Figur 1 angedeutet ist, kann der Schritt 3) mittels

Wirbelschichtgranulierung ausgeführt werden. Somit kann eine,

vorteilhafterweise zusammenhängende, Mischung hergestellt werden, die zu einem bandförmigen Material verarbeitet werden kann. Mittels einer

Wirbelschichtgranulierung und erhöhter Temperatur kann vorteilhafterweise ein Fibrillieren der Komponente b) und/oder der Komponente c) erfolgen. Weiterhin kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass im Schritt 4) mindestens eine Walze Wl, W2 oder eine Extruderschnecke E auf eine

Temperatur von 50 °C bis 400 °C, insbesondere 150 °C und 240 °C, beheizt wird. Die Temperatur kann dabei von dem Mischverhältnis zwischen der Komponente b) und der Komponente c) abhängen. Somit kann im Schritt 4) das Lösemittel und/oder Wasser weitestgehend verdampfen und das bandförmige Material zudem geglättet werden.

Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass ein Katalysatormaterial auf der Oberfläche des fertigen bandförmigen Materials als eine Benetzung und/oder eine Beschichtung ausgebildet wird, bspw. in einem weiteren nicht gezeigten Schritt 5).

Gleichwohl und/oder zusätzlich ist es denkbar, dass im Schritt 1) mindestens ein Teil der Partikel der Komponente a) mit einem Katalysator benetzt oder beschichtet ist. Auf diese Weise können in der Vormischung im Schritt 2) und in der Mischung im Schritt 3) bereits Partikel mit einem Katalysator vorliegen.

Ferner kann im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran- Elektrodeneinheit MEA, bspw. in einem weiteren nicht gezeigten Schritt 6), vorgesehen sein, dass ein Bedrucken des bandförmigen Materials mit einer ionenleitfähigen Membran M zu einem mehrlagigen Material erfolgt, aus welchem die einsatzfertige Membran- Elektrodeneinheit MEA (s. die Figur 2) für eine Brennstoffzelle 100 (s. die Figur 3) zugeschnitten werden kann.

In einem noch weiteren nicht gezeigten Schritt 7) kann schließlich ein

Zuschneiden des mehrlagigen Materials zu einer Membran- Elektrodeneinheit MEA erfolgen. Somit kann eine einsatzfertige Membran- Elektrodeneinheit MEA (s. die Figur 2) für eine Brennstoffzelle 100 (s. die Figur 3) bereitgestellt werden.

Bei einer Brennstoffzelle 100 kann die Erfindung vorsehen, dass auf einer Kathodenseite K eine erfindungsgemäß hergestellte Elektrodeneinheit MPL mit einer darauf beschichteten Membran M eingesetzt wird und auf einer

Anodenseite A eine erfindungsgemäß hergestellte Elektrodeneinheit MPL mit oder ohne eine Beschichtung mit einer Membran M eingesetzt wird, die miteinander verpresst, heiß verpresst, verklebt oder dergleichen sein können.

Die, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit MPL kann vorteilhafterweise ohne eine weitere, bspw. faserige Zwischenlage, als eine Gasdiffusionslage GDL dienen, um die Verteilung der Reaktanten aus der Millimeterstrukturierung einer Bipolarplatte BPP auf die nanoskaligen Katalysatorpartikel der Membran- Elektrodeneinheit MEA zu erleichtern (vgl. die Figur 3). Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende

Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.