Die vorliegende Patentanmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2021 200 837.2 in Anspruch, deren Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.

Die Erfindung betrifft ein mehrlagiges Beschichtungssystem, insbesondere zur Anbringung an einer Brennstoffzelle, sowie eine Brennstoffzelle mit einem derartigen Beschichtungssystem.

Brennstoffzellen dienen zur Erzeugung von elektrischem Strom aus Wasserstoffgas. DE 10 2017 209 891 Al offenbart einen vorteilhaften Betrieb einer sogenannten Direkt-Brennstoffzelle mit einem sekundären Alkohol, der unter Freisetzung von Wasserstoffgas zu einem Keton umgesetzt und das Wasserstoffgas in der Direkt-Brennstoffzelle verstromt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau und den Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Direkt-Brennstoffzelle zu verbessern.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein mehrlagiges Beschichtungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 16.

Der Kem der Erfindung besteht darin, dass ein mehrlagiges Beschichtungssystem bereitgestellt wird, dass insbesondere an einer Brennstoffzelle anbringbar ist. Das mehrlagige Beschichtungssystem umfasst eine erste Kata- lysatorschicht mit einem ersten Katalysatormaterial zum Dehydrieren eines Wasserstoffträgermaterials. Durch die Dehydrierung des Wasserstoffträgermaterials wird Wasserstoff freigesetzt, der an dem Wasserstoffträgermaterial chemisch gebunden ist. Durch die Dehydrierung wird das Wasser- stoffträgermaterial von einer wasserstoffreichen Form in eine wasserstoffarme Form überführt. Die wasserstoffreiche Form und die wasserstoffarme Form des Wasserstoffträgermaterials bilden ein Wasserstoffträgersystem. Mögliche Wasserstoffträgersysteme im Sinne der Erfindung sind in Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1: Wasserstoffträgersysteme

Das Wasserstoffträgermaterial in der wasserstoffreichen Form ist insbe- sondere ein sekundärer Alkohol in der allgemeinen Darstellung mit Organyl-Resten XI, X2, die insbesondere Alkyl-Reste, Alkenyl-Reste, A- ryl-Reste und/oder Benzyl-Reste sind. Insbesondere ist das Wasserstoffträgermaterial der wasserstoffarmen Form ein Keton mit den Organyl-Resten XI, X2, die insbesondere Alkyl-Reste, Alkenyl-Reste, Aryl-Reste und/oder Benzyl-Reste sind. Das Keton lässt sich in der Strukturformel darstellen.

X1 x ₂

Das Wasserstoffträgermaterial kann flüssig und/oder gasförmig sein.

Das mehrlagige Beschichtungssystem umfasst eine Sperrschicht, die für das Wasserstoffträgermaterial undurchlässig ist. Die Sperrschicht ist insbesondere für das Wasserstoffträgermaterial nicht benetzend. Die Sperrschicht ist für das Wasserstoffträgermaterial impermeabel. Insbesondere ist die Sperrschicht aber für das bei der Dehydrierung freigesetzte Wasserstoffgas durchlässig, also permeabel.

Überraschend wurde gefunden, dass es vorteilhaft ist, die erste Katalysatorschicht für die Dehydrierung des Wasserstoffträgermaterials von einer zweiten Katalysatorschicht für eine Wasserstoffoxidation des von dem Wasserstoffträgermaterial freigesetzten Wasserstoffgases räumlich zu trennen. Diese räumliche Trennung wird insbesondere durch die Sperrschicht gewährleistet. Das Wasserstoffträgermaterial wird an der ersten Katalysatorschicht dehydriert, kann aber die Sperrschicht nicht durchdringen. Dadurch, dass die Sperrschicht eine selektive Permeabilität aufweist, gelangt, insbesondere ausschließlich, das freigesetzte Wasserstoffgas durch die Sperrschicht und kann an der hinter der Sperrschicht angeordneten Brennstoffzelle vorteilhaft verstromt werden. Insbesondere steht das Wasserstoffgas an einer Grenzfläche der Sperrschicht zur Verfügung. Es ist möglich, dass zumindest geringe Anteile des hydrierten und/oder dehydrierten Wasserstoffträgermaterials an die Grenzfläche der Sperrschicht gelangen können. Die Anteile des hydrierten und/oder dehydrierten Wasserstoffträgermaterials an der Grenzfläche der Sperrschicht betragen höchstens 30 vol-% bezogen auf das Material an der Grenzfläche der Sperrschicht, insbesondere höchstens 25 vol-%, insbesondere höchstens 20 vol-%, insbesondere höchstens 15 vol-%, insbesondere höchstens 12 vol-%, insbesondere höchstens 10 vol-%, insbesondere höchstens 8 vol-% und insbesondere höchstens 5 vol-%.

Insbesondere ist die erste Katalysatorschicht durch die Sperrschicht von der Brennstoffzelle und insbesondere einer Brennstoffzellenmembran getrennt. Bei dem mehrlagigen Beschichtungssystem ist die erste Katalysatorschicht der Brennstoffzelle und insbesondere der Brennstoffzellenmembran, abgewandt angeordnet.

Die erste Katalysatorschicht und/oder die Sperrschicht weisen jeweils eine Schichtdicke zwischen 10 nm und 500 pm auf, insbesondere zwischen 20 nm und 400 pm, insbesondere zwischen 40 nm und 300 pm, insbesondere zwischen 50 nm und 200 pm, insbesondere zwischen 75 nm und 150 pm, insbesondere zwischen 100 nm und 100 pm, insbesondere zwischen 200 nm und 50 pm, insbesondere zwischen 500 nm und 10 pm, insbesondere zwischen 1 pm und 5 pm.

Die erste Katalysatorschicht und/oder die Sperrschicht können gleiche oder unterschiedliche Schichtdicken aufweisen. Das Verhältnis der kleineren Schichtdicke zu der größeren Schichtdicke beträgt zwischen 0,001 und 0,9, insbesondere zwischen 0,002 und 0,8, insbesondere zwischen 0,005 und 0,7, insbesondere zwischen 0,01 und 0,5, insbesondere zwischen 0,03 und 0,3, insbesondere zwischen 0,05 und 0,2, insbesondere zwischen 0,1 und 0,15.

Es wurde gefunden, dass das erfindungsgemäße Beschichtungssystem vorteilhaft durch additive Fertigungs verfahr en aufgebaut und hergestellt werden kann. Besonders geeignet sind additive Fertigungs verfahr en, die Tinte verarbeiten können, insbesondere Verfahren der Sprühbeschichtung, der Schlitzdüsenbeschichtung, 3D-Druck, Aerosoldruck, Laser- und/oder Elektronenstrahlsintem, Siebdruckverfahren, Flexodruckverfahren, Sputtern und/oder Gravure- Verfahren. Unter einem Gravure- Verfahren wird ein Tiefdruckverfahren, insbesondere ein Rotationstiefdruckverfahren, verstanden, bei dem ein Bild auf einem Bildträger graviert wird. Mittels Tiefdruck wird das Bild auf einem Zylinder graviert, der wie beim Offsetdruck verwendet wird. Insbesondere sind die additiven Fertigungs verfahren zur Schichtherstellung geeignet.

Es ist insbesondere möglich, die Eigenschaften der einzelnen Schichten, insbesondere der Sperrschicht und/oder der ersten Katalysatorschicht, gezielt einzustellen und insbesondere einen Gradienten innerhalb der jeweiligen Schicht einzustellen, um insbesondere einen Gastransport durch die Schichten hindurch zu verbessern und insbesondere zu befördern.

Insbesondere können die Eigenschaften der einzelnen Schichten entlang der Schichtdickenrichtung und/oder in einer Ebene quer und insbesondere senkrecht zur Schichtdickenrichtung veränderlich eingestellt sein und insbesondere einen Gradienten aufweisen. Es ist insbesondere möglich, die Porenanteile, also den Gradienten der Porosität, und/oder die Porengröße, die Partikelanteile des Katalysatormaterials, also die Partikelgröße, und/oder die Partikelmenge sowie den Benetzungs winkel an der Sperrschicht veränderlich einzustellen.

Als Gradient wird insbesondere eine Eigenschaftsänderung entlang einer Änderung srichtung verstanden, wobei die Änderung srichtung entlang der Schichtdickenrichtung quer und insbesondere senkrecht dazu orientiert sein kann. Der jeweilige Gradient ergibt sich insbesondere daraus, dass sich die Eigenschaft von einem Maximalwert zu einem Minimalwert oder umgekehrt verändert. Der Gradientenverlauf zwischen Minimal- und Maximalwert kann linear oder nicht linear, insbesondere gekrümmt und insbesondere progressiv oder degressiv sein.

Der Wertebereich, der nach unten durch den Minimalwert und nach oben durch den Maximalwert begrenzt ist, beträgt für die Porosität zwischen 20% und 80%, insbesondere zwischen 10% und 90%, insbesondere zwischen 5% und 95% und insbesondere zwischen 1% und 99%. Der Wertebereich für die Porengröße beträgt zwischen 100 nm und 10 pm, insbesondere zwischen 10 nm und 100 pm, insbesondere zwischen 1 nm und 500 pm und insbesondere zwischen 0,1 nm und 1 mm. Der Wertebereicht für die Partikelgröße beträgt zwischen 100 nm und 10 pm, insbesondere zwischen 10 nm und 100 pm, insbesondere zwischen 1 nm und 500 pm und insbesondere zwischen 0,1 nm und 1 mm. Der Wertebereich für die Partikelmenge beträgt zwischen 0,1 und 1 g/cm ² . Der Wertebereich für den Benetzungswinkel beträgt zwischen 45° und 135°, insbesondere zwischen 30° und 150°, insbesondere zwischen 15° und 165°, insbesondere zwischen 5° und 175° und insbesondere zwischen 0° und 180°.

Es ist auch denkbar, dass die Gradientenverläufe mindestens ein lokales Minimum und/oder mindestens ein lokales Maximum aufweisen. Es ist beispielsweise denkbar, dass entlang der Schichtdickenrichtung der Eigenschaftswert jeweils an der Oberfläche der Schichtdicke Werte aufweisen, die kleiner sind als ein lokaler Maximalwert innerhalb der Schicht.

Es wurde insbesondere gefunden, dass eine aus dem Stand der Technik bekannte Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzelle mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungssystem vorteilhaft nachgerüstet werden kann. Eine PEM-Brennstoffzelle weist mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungssystem eine verbesserte Funktionalität auf und ist insbesondere für die Nutzung mit sekundären Alkoholen oder anderen Wasserstoffträgermaterialien geeignet.

Ein Beschichtungssystem gemäß Anspruch 2 ist besonders kompakt und robust ausgeführt. Die Sperrschicht ist unmittelbar angrenzend an der ersten Katalysatorschicht ausgebildet. Die erste Katalysatorschicht und die Sperrschicht bilden eine zweilagige, aber einteilige Kombinationsschicht.

Ein erstes Katalysatormaterial gemäß Anspruch 3 hat sich als besonders vorteilhaft für die Dehydrierung des Wasserstoffträgermaterials erwiesen. Zusätzlich oder alternativ kann das erste Katalysatormaterial Platin, Iridium, Osmium, Ruthenium, Rhodium und/oder Palladium aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann das erste Katalysatormaterial Metalle wie Kupfer, Kobalt, Nickel, Silber, Gold und/oder Phosphor aufweisen. Zudem kann das erste Katalysatormaterial stickstoffbasierte Materialen wie beispielsweise Eisen-Stickstoff-Komplexe aufweisen, in die beispielsweise Graphen eingelagert sein kann. Derartige Katalysatormaterialien sind beispielsweise Fe-N-C- Verbindung en. Es sind auch Phosphor- und/oder Schwefeldotierungen möglich. Eine poröse Sperrschicht gemäß Anspruch 4 gewährleistet einen vorteilhaften Transport des Wasserstoffgases durch die Sperrschicht hindurch. Es ist verhindert, dass das Wasserstoffträgermaterial die Sperrschicht passiert. Insbesondere erlaubt das Material der porösen Sperrschicht die Retention des Wasserstoffträgermaterials in Folge einer Interaktion mit den Porenwänden durch optimale Bindungseigenschaften zwischen dem Wasserstoffträgermaterial und den Porenwänden.

Die poröse Sperrschicht umfasst eines oder mehrere Materialien wie Kohlenstoff, Metalle, Polytetrafluorethylen, Zeolithe, also kristalline Alumosi- likate, metallorganische Gerüstverbindungen, also metal-organic frameworks (MOFs), Polybenzimidazole (PBI), Polyetheretherketon (PEEK) und/oder lonomere, insbesondere ein perfluoriertes Copolymer, das als ionische Gruppe eine Sulfogruppe umfasst, und/oder alkalische lonomere, und/oder Perfluorsulfonsäuren (PFSA), insbesondere Derivate davon.

Eine Porosität der Sperrschicht gemäß Anspruch 5 hat sich als vorteilhaft für den Wasserstofftransport einerseits und die Retention des Wasserstoffträgermaterials andererseits erwiesen.

Alternativ kann die Sperrschicht gemäß Anspruch 6 unporös, also dicht ausgeführt werden. Ein Transport des Wasserstoffgases durch die Sperrschicht erfolgt dann mittels Diffusion. Wesentlich ist, dass die Sperrschicht einen Wasserstoff-Diffusionskoeffizienten aufweist, der größer ist als ein Wasserstoffträgermaterial-Diffusionskoeffizient. Insbesondere ist der Wasserstoffträgermaterial-Diffusionskoeffizient höchstens 10' ¹⁵ m ² /s, insbesondere höchstens 10' ¹⁴ m ² /s, insbesondere höchstens 10' ¹³ m ² /s, insbesondere höchstens 10' ¹² m ² /s, insbesondere höchstens 10' ¹¹ m ² /s, insbesondere höchstens IO' ¹⁰ m ² /s. Für eine unporöse, also dichte, Ausführung der Sperrschicht eignen sich beispielsweise Materialien wie Kunststoffe, insbesondere Polymere, insbesondere ein perflouriertes Copolymer, das als ionische Gruppe eine Sulfogruppe enthält, oder Polytetrafluorethylen (PTFE). Es kommen auch Metalle, insbesondere Palladium, als Materialien für die dichte Sperrschicht in Betracht.

Eine Gasdiffusionsschicht gemäß Anspruch 7 stellt eine zusätzliche Barriere für das Wasserstoffträgermaterial dar. Der Anteil des Wasserstoffträgermaterials, der zu der Brennstoffzelle gelangt, ist zusätzlich reduziert. Insbesondere ist die Gasdiffusionsschicht an einer der ersten Katalysatorschicht gegenüberliegenden Seite bezüglich der Sperrschicht angeordnet. Die Gasdiffusionsschicht ist insbesondere aus porösen Kohlenstofffasem gebildet. Insbesondere umfasst die Gasdiffusionsschicht Carbonfaser- Vliesstoffe und insbesondere eine Schicht aus Ruß. Die Gasdiffusionsschicht kann zusätzlich oder alternativ Kohlenstoff, Titan und/oder Edelstahl aufweisen. Die porösen Kohlenstofffasem der Gasdiffusionsschicht sind insbesondere durch den Anpressdruck über die Zellplatten und/oder mittels eines thermischen Druckverfahrens mit der Sperrschicht verbunden. Die Gasdiffusionsschicht weist eine Schichtdicke zwischen 10 pm und 10 mm, insbesondere zwischen 100 pm und 1 mm auf.

Eine weitere Sperrschicht gemäß Anspruch 8 reduziert zusätzlich das Risiko, dass das Wasserstoffträgermaterial zu der Brennstoffzelle gelangt. Insbesondere ist die weitere Sperrschicht identisch zu der an der ersten Katalysatorschicht angeordneten Sperrschicht ausgeführt. Die weitere Sperrschicht kann eine unterschiedliche Schichtdicke und/oder ein unterschiedli- ches Material wie die an der ersten Katalysatorschicht angeordnete Sperrschicht aufweisen.

Die Ausführung des Beschichtungssystems gemäß Anspruch 9 eignet sich insbesondere für die unmittelbare und insbesondere einteilige Anbringung des Beschichtungssystems an einer bereits existierenden Brennstoffzelle. Dadurch, dass das Beschichtungssystem flächig und insbesondere vollflächig, also unterbrechungsfrei, ausgeführt ist, wird eine robuste und langlebige Verbindung des Beschichtungssystems mit der Brennstoffzelle ermöglicht.

Ein Beschichtungssystem gemäß Anspruch 10 weist mindestens einen Wasserstoffträger-Störmungskanal auf, in dem das Wasserstoffträgermaterial strömen kann. In einer bezüglich der Strömungsrichtung gesehenen Umfangsrichtung weist der Wasserstoffträger-Strömungskanal eine geschlossene Strömungskanalwand auf, sodass ein unbeabsichtigtes Entweichen des Wasserstoffträgermaterials aus dem Wasserstoffträger- Strömungskanal verhindert ist. Insbesondere weist die Strömungskanalwand zumindest bereichsweise die Sperrschicht auf. In diesen Bereichen kann Wasserstoffgas, das durch eine Dehydrierung des Wasserstoffträgermaterials in dem Wasserstoffträger-Strömungskanal freigesetzt worden ist, aus dem Wasserstoffträger-Strömungskanal austreten. Durch die Größe der Bereiche, in welchem die Sperrschicht angeordnet ist, und durch die Anordnung der Bereiche, in welchen die Sperrschicht angeordnet ist, kann eine gezielte Abgabe des Wasserstoffgases aus dem Wasserstoffträger- Strömungskanal erfolgen.

Ein derartiges Beschichtungssystem ermöglicht einen verbesserten Abtransport von Flüssigwasser und/oder anderen Flüssigkeiten. Der Abtrans- port von Flüssigkeit ist insbesondere in einer Ebene senkrecht zur Gas- strömungsrichtung durch das Beschichtungssystem möglich. Ein Gastransport senkrecht zu dem Beschichtungssystem ist im Wesentlichen ungehindert.

Bei einem Beschichtungssystem gemäß Anspruch 11 ist die Dehydrierung in dem Wasserstoffträger-Strömungskanal gewährleistet.

Eine Wasserstoffträger-Transportschicht gemäß Anspruch 12 verbessert den Transport des Wasserstoffträgermaterials. Die Wasserstoffträger- Transportschicht kann als separate Schicht ausgeführt sein und ist insbesondere benachbart zu der ersten Katalysatorschicht ausgeführt und insbesondere von der ersten Katalysatorschicht umgeben. Alternativ kann die Wasserstoffträger-Transportschicht mit der ersten Katalysatorschicht vermischt und insbesondere als Mischschicht, in der das Material für die Wasserstoffträger-Transportschicht und das erste Katalysatormaterial vermischt vorliegen, ausgeführt sein. Die Wasserstoffträger-Transportschicht umfasst Metall, Kohlenstoff, Kunststoffe und/oder Kompositmaterialien. Als Kom- positmaterialien werden Verbundmaterialien verstanden, die aus einem oder mehreren Transportschichtelementen bestehen, insbesondere aus verschiedenen Transportschichtelementen, die insbesondere verschiedenartig gradiert sind, also unterschiedliche Eigenschaftsgradienten aufweisen. Die Transportschichtelemente bilden eine in sich geschlossene Wasserstoffträger-Transportschicht.

Alternativ kann der Wasserstoffträger-Strömungskanal ohne Wasserstoffträger-Transportschicht ausgeführt sein. Um den Transport des Wasserstoffträgermaterials zu gewährleisten, kann in dem Wasserstoffträger- Strömungskanal ein Hohlraum vorgesehen sein. Alternativ kann das Was- serstoffträgermaterial auch durch die erste Katalysatorschicht hindurchtransportiert werden.

Ein Beschichtungssystem gemäß Anspruch 13 weist verbesserte Strömungseigenschaften für die Gasströme senkrecht zu dem Beschichtungssystem und Flüssigkeit in einer Ebene parallel zu dem Beschichtungssystem auf Das Beschichtungssystem weist mehrere Wasserstoffträger- Strömungskanäle auf, wobei zwischen zwei benachbarten Wasserstoffträger-Strömungskanälen ein Fluidströmungskanal angeordnet ist. Das Beschichtungssystem weist insbesondere keine vollflächige, also keine unterbrechungsfreie, sondern eine unterbrochene, Struktur auf.

Eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 14 mit dem mehrlagigen Beschichtungssystem weist im Wesentlichen die Vorteile des Beschichtungssystems selbst auf, worauf hiermit verwiesen wird. Insbesondere ist das mehrlagige Beschichtungssystem mit der ersten Katalysatorschicht beabstandet von einer zweiten Katalysatorschicht angeordnet.

Die zweite Katalysatorschicht umfasst ein zweites Katalysatormaterial für eine Wasserstoffoxidation des von dem Wasserstoffträgermaterial freigesetzten Wasserstoffgases. Das zweite Katalysatormaterial ist insbesondere ein metallhaltiger Elektrokatalysator, der insbesondere Platin aufweist. Zusätzlich oder alternativ kann das zweite Katalysatormaterial Ruthenium, Palladium, Iridium, Gold, Silber, Rhenium, Rhodium, Kupfer, Nickel, Kobalt, Eisen, Mangan, Chrom, Molybdän und/oder Vanadium aufweisen. Die Metalle des zweiten Katalysatormaterials liegen insbesondere als elementare Metalle, Metalloxide und/oder Metallhydroxide vor. Als besonders vorteilhaft haben sich Mischkatalysatoren erwiesen, die Platin und Ruthe- nium, insbesondere in elementarer Form und/oder in oxydischer Form aufweisen.

Insbesondere ist die erste Katalysatorschicht von der zweiten Katalysatorschicht mindestens durch die Sperrschicht räumlich getrennt. Es können weitere Schichten zwischen der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht angeordnet sein.

Bei einer Brennstoffzelle gemäß Anspruch 15 ist das Beschichtungssystem unmittelbar und robust an der Brennstoffzelle angebracht und damit verbunden. Das Beschichtungssystem kann stoffschlüssig mit der zweiten Katalysatorschicht verbunden sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Beschichtungssystem mit einer Zwischenschicht stoffschlüssig verbunden sein, wobei die Zwischenschicht selbst stoffschlüssig mit der zweiten Katalysatorschicht verbunden ist. Das mehrlagige Beschichtungssystem ist stoffschlüssig mit der Brennstoffzelle verbunden. Die Zwischenschicht selbst kann eine oder mehrere Schichten aufweisen, insbesondere eine Gasdiffusionsschicht und/oder eine weitere Sperrschicht. Durch die Zwischenschicht ist das Beschichtungssystem mittelbar mit der zweiten Katalysatorschicht verbunden. Eine derartige Brennstoffzelle kann insbesondere durch additive Fertigungs verfahr en vorteilhaft und robust hergestellt werden, indem das mehrlagige Beschichtungssystem unmittelbar auf einer existierenden Brennstoffzelle aufgebracht wird.

Alternativ kann das mehrlagige Beschichtungssystem gemäß Anspruch 16 an einem Trägerelement gehalten sein. Das Trägerelement ist lösbar mit einer bereits existierenden Brennstoffzelle verbindbar. Das Trägerelement ist insbesondere plattenförmig ausgeführt. Das Trägerelement ist insbesondere lösbar an der zweiten Katalysatorschicht anbringbar. Zusätzlich oder altemativ kann das Trägerelement an einer mit der zweiten Katalysatorschicht stoffschlüssig verbundenen Zwischenschicht anbringbar ausgeführt sein. Besonders vorteilhaft ist die lösbare Anbringung des Trägerelements, wenn das Beschichtungssystem mehrere Wasserstoffträger- Strömungskanäle und dazwischen angeordnete Fluid-Strömungskanäle aufweist. Das mehrlagige Beschichtungssystem kann mittels des Trägerelements auf eine bereits existierende Brennstoffzelle aufgesetzt und daran montiert und demontiert werden.

Sowohl die in den Patentansprüche angegebenen Merkmale, als auch die in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Beschichtungssystems angegebenen Merkmale, sind jeweils für sich alleine oder in Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildungen den Erfindungsgegenstands keine Einschränkungen dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Brennstoffzelle mit einem erfindungsgemäßen mehrlagigen Beschichtungssystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung der Anbringung des mehrlagigen Beschichtungssystems an der Brennstoffzelle gemäß Fig. 1, Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung eines Beschichtungssystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung einer Brennstoffzelle mit einem an einem Trägerelement gehaltenen Beschichtungssystem gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Fluidströme bei der Brennstoffzelle gemäß Fig. 4, und

Fig. 6 eine Fig. 4 entsprechende Darstellung eines mehrlagigen Beschichtungssystems mit Trägerelement gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.

Eine in Fig. 1 als Ganzes mit 1 bezeichnete Brennstoffzelle ist eine Polymerelektrolytmembran (PEM)-Brennstoffzelle, die mit einem erfindungsgemäßen mehrlagigen Beschichtungssystem 2 ausgeführt ist. Eine PEM- Brennstoffzelle ist aus Qi, Z; Kaufmann A.: „Permormance of 2-Propanol in Direct-Oxidation Fuel Celis“, Journal of Power Sources 112 (2002) 121- 129 bekannt, worauf hinsichtlich des grundsätzlichen Aufbaus und der Funktion der PEM-Brennstoffzelle 1 ausdrücklich verwiesen wird.

Das Beschichtungssystem 2 ist in Fig. 1 rein schematisch und vereinfacht dargestellt. Die konkrete Ausgestaltung des Beschichtungssystems 2 ist in den nachfolgenden Figuren im Einzelnen erläutert.

Dadurch, dass das Beschichtungssystem 2 an der Brennstoffzelle 1 vorgesehen ist, ist insbesondere eine Bipolarplatte und/oder eine Gasdiffusions- lage, die bei einer Standard-Brennstoffzelle vorgesehen sind, entbehrlich. Der Aufbau der Brennstoffzelle 1 ist dadurch vereinfacht. Es ist aber auch möglich, die Bipolarplatte und/oder die Gasdiffusionslage vorzusehen.

Die Brennstoffzelle 1 weist eine Anode 3 und ein Kathode 4 auf. Unmittelbar mit der Anode 3 ist eine protonenleitende Membran 5 verbunden, die insbesondere aus einem perfluorierten Copolymer, das als ionische Gruppe eine Sulfogruppe enthält, ausgeführt ist. Die Membran 5 ist zwischen der Anode 3 und der Kathode 4 angeordnet.

Die Anode 3 weist eine Katalysatorschicht 6 für eine Wasserstoffoxidation von Wasserstoffgas auf. Die Katalysatorschicht 6 weist ein dafür geeignetes Katalysatormaterial auf.

Das Beschichtungssystem 2 ist unmittelbar an der Anode 3, insbesondere an der Katalysatorschicht 6 angebracht und unmittelbar damit verbunden.

An der Anodenseite ist ein Edukt- Sammelbehälter 7 mit einer Edukt- Zuströmöffnung 8 und einer Edukt- Ab strömöffnung 9 vorgesehen. Als Edukt ist gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Wasserstoffträgermaterial in einer wasserstoffreichen Form, insbesondere als sekundärer Alkohol, vorgesehen.

Auf der Kathodenseite ist die Kathode 4 mit einer Gasdiffusionslage 10 und einer Bipolarplatte 11 verbunden. An die Bipolarplatte 11 ist ein Produkt-Sammelbehälter 12 angeschlossen, der eine Sauerstoff- Zuströmöffnung 13 und eine Wasser- Ab strömöffnung 14 aufweist. Als Produkt entsteht auf der Kathodenseite durch die Wasserstoffoxidation des Wasserstoffgases Wasser. Das Beschichtungssystem 2 ist in Fig. 2 näher dargestellt. Das Beschichtungssystem 2 umfasst eine weitere Katalysatorschicht 15 umfassend ein Katalysatormaterial zum Dehydrieren eines Wasserstoffträgermaterials. Die Katalysatorschicht 15 wird auch als die erste Katalysatorschicht bezeichnet. Die Katalysatorschicht 6 wird entsprechend als zweite Katalysatorschicht bezeichnet.

Die erste Katalysatorschicht 15 ist von der zweiten Katalysatorschicht 6 durch eine Sperrschicht 16 räumlich getrennt angeordnet. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Sperrschicht 16 durch eine mikroporöse Schicht aus Polytetrafluorehtylen (PTFE) gemischt mit Kohlenstoffpartikeln ausgebildet.

Wesentlich ist, dass die Sperrschicht 16 verhindert, dass Wasserstoffträgermaterial zu der Anode 3 und insbesondere zu der zweiten Katalysatorschicht 6 gelangen kann. Zudem ist die Sperrschicht 16 durchlässig für Wasserstoffgas.

Die erste Katalysatorschicht 15 ist außenliegend angeordnet. Entlang einer Dickenrichtung 17 schließen sich die Sperrschicht 16, die Anode 3 mit der zweiten Katalysatorschicht 6 und die Membran 5 an.

Bei der vereinfachten Darstellung in Fig. 2 ist die Anode 3 mit der zweiten Katalysatorschicht 6 als homogene durchgängige Schicht dargestellt. Es ist auch denkbar, dass die zweite Katalysatorschicht 6 an der Anode 3 außenliegend, insbesondere dem Beschichtungssystem 2 zugewandt, angeordnet ist. Die erste Katalysatorschicht 15 ist an der Sperrschicht 16 der Brennstoffzelle 1, insbesondere der Anode 3 und/oder der Membran 5 abgewandt angeordnet. Die erste Katalysatorschicht 15 ist dem Edukt-Sammelbehälter 7 zugewandt angeordnet, sodass das Wasserstoffträgermaterial mit der ersten Katalysatorschicht 15 unmittelbar in Kontakt kommen kann.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der Brennstoffzelle 1 näher erläutert.

Der Brennstoffzelle 1 wird eine wasserstoffreiche Form eines Wasserstoffträgermaterials, insbesondere ein sekundärer Alkohol, insbesondere Isopropanol, das auch als 2-Propanol bekannt ist, in einen Edukt- Sammelbehälter 7 zugeführt. Das Wasserstoffträgermaterial kann gasförmig und/oder flüssig vorliegen. An der ersten Katalysatorschicht 15 wird die wasserstoffreiche Form des Wasserstoffträgermaterials dehydriert, also unter Freisetzung von Wasserstoffgas in eine wasserstoffarme Form überführt, insbesondere in ein Keton, insbesondere in Aceton. Die wasserstoffarme Form des Wasserstoffträgermaterials wird aus dem Edukt- Sammelbehälter 7 über die Edukt- Ab strömöffnung 9 abgeführt.

Die wasserstoffarme Form des Wasserstoffträgermaterials kann anschließend wieder hydriert, also mit Wasserstoff angereichert werden und als Wasserstoffträgermaterial für die Brennstoffzelle 1 erneut zur Verfügung gestellt werden. Zur Wasserstoffanreicherung des Wasserstoffträgermaterials kann insbesondere eine Wasserstofftransferhydrierung mittels eines Wasserstoffspeichermaterials, insbesondere eines flüssigen organischen Wasserstoffspeichermaterials (LOHC) dienen. Bezüglich der Transferhydrierung des Wasserstoffträgermaterials mittels des genannten Wasserstoffspeichermaterials wird auf die DE 10 2017 209 891 Al verwiesen. Dadurch, dass die Sperrschicht 16 für das Wasserstoffträgermaterial undurchlässig ist, gelangt ausschließlich das freigesetzte Wasserstoffgas durch die Sperrschicht 16 zu der Anode 3 mit der zweiten Katalysatorschicht 6. Das Wasserstoffgas kann in Dickenrichtung 17 durch das Beschichtungssystem 2 zu der Anode 3 hinströmen. Entgegen der Dickenrichtung 17 kann Wasser und/oder eine andere Flüssigkeit aus dem Beschichtungssystem 2 heraustransportiert werden. Das Wasserstoffgas wird an einer der Anode 3, insbesondere der zweiten Katalysatorschicht 6, angrenzenden Grenzfläche der Sperrschicht 16 bereitgestellt. Das Wasserstoffgas dissoziiert auf der Anodenseite und wird unter Abgabe von zwei Elektronen e' zu je zwei Protonen H ⁺ oxidiert. Diese Protonen diffundieren durch die Membran 5. Auf der Kathodenseite wird Sauerstoff durch die Elektronen e’, die in einem äußeren Stromkreis elektrische Arbeit verrichten konnten, reduziert. Zusammen mit den durch die Membran 5 transportierten Protonen H ⁺ entsteht Wasser. Um die elektrische Arbeit nutzen zu können, werden Anode 3 und Kathode 4 an den elektrischen Verbraucher 18 angeschaltet. Als elektrischer Verbraucher 18 dient insbesondere ein Elektromotor.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Konstruktiv identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funktionell gleichartige Teile erhalten dieselben Bezugszeichen mit einem nachgestellten a.

Das Beschichtungssystem 2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist zusätzlich eine weitere Sperrschicht 19 auf, wobei zwischen den Sperrschichten 16, 19 eine Gasdiffusionsschicht 20 aus porösen Kohlenstofffa- sem angeordnet ist. Dabei kann das Beschichtungssystem 2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel durch die Gasdiffusionsschicht 20 und die weitere Sperrschicht 19 erweitert und anschließend an der Brennstoffzelle 1 wie in Fig. 2 gezeigt, angebracht werden. In diesem Fall umfasst das Beschichtungssystem 2 die außenliegende erste Katalysatorschicht 15, wobei sich entlang der Dickenrichtung 17 die Sperrschicht 16, die Gasdiffusionsschicht 20 und die weitere Sperrschicht 19 anschließen.

Alternativ ist es denkbar, dass das Beschichtungssystem 2 - wie im ersten Ausführungsbeispiel - ausschließlich die erste Katalysatorschicht 15 und die Sperrschicht 16 aufweist, wobei die Gasdiffusionsschicht 20 und die weitere Sperrschicht 19 bereits an der Brennstoffzelle 1 vor Anbringung des Beschichtungssystems 2 vorgesehen sind. Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise bei einer Standard-PEM-Brennstoffzelle üblich.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Konstruktiv identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei den ersten Ausführungsbeispielen, auf deren Beschreibung hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funktionell gleichartige Teile erhalten dieselben Bezugszeichen mit einem nachgestellten b.

Der wesentliche Unterschied gegenüber dem vorherigen Ausführungsbeispiel besteht darin, dass das Beschichtungssystem 2b nicht als durchgängige Schicht unmittelbar an der Anode 3 der Brennstoffzelle 1 angebracht ist. Das Beschichtungssystem 2b weist eine Trägerplatte 21 auf, an deren Unterseite 22 mehrere Wasserstoffträger-Strömungskanäle 23 angeordnet sind. Die Trägerplatte 21 kann beispielsweise direkt an der Brennstoffzelle angebracht sein, also daran anliegen und/oder damit, insbesondere unmit- telbar, verbunden sein. Die Trägerplate 21 kann insbesondere direkt an der zweiten Katalysatorschicht 6, an der weiteren Sperrschicht 19 oder an der Gasdiffusionsschicht 20 anliegen und/oder damit verbunden sein.

Zwischen zwei benachbarten Wasserstoffträger-Strömungskanälen 23 ist jeweils ein Fluid-Strömungskanal 24 angeordnet, der durch den Zwischenraum zwischen zwei Wasserstoffträger-Strömungskanälen 23 gebildet ist. Die Wasserstoffträger-Strömungskanäle 23 geben jeweils eine Strömungsrichtung 25, insbesondere für das Wasserstoffträgermaterial vor. Gemäß Fig. 4 ist die Strömungsrichtung 25 senkrecht zur Zeichenebene orientiert. Bezüglich der Strömungsrichtung 25 weist der Wasserstoffträger- Strömungskanal 23 in Umfangsrichtung eine geschlossene Strömungskanalwand auf, die im Wesentlichen rechteckförmig ausgeführt ist. Die Strömungskanalwand wird durch eine U-Profilform der Sperrschicht 16b gebildet, wobei das offene U der Sperrschicht 16b durch die Trägerplate 21 geschlossen ist. Die Strömungkanalwand kann auch eine andere geschlossene Kontur aufweisen, insbesondere dreieckig, fünfeckig, sechseckig, achteckig oder in einer anderen polygonalen Form. Die Kontur der Strömungkanalwand kann auch zumindest abschnitsweise gekrümmt, insbesondere rund oder oval ausgeführt sein. Die Trägerplate 21 und jede der U-förmigen Sperrschichten 16b umschließen einen inneren Hohlraum, in dem eine Wasserstoffträger-Transportschicht 26 angeordnet ist, die von der ersten Katalysatorschicht 15 umgeben ist.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 der Betrieb einer Brennstoffzelle 1 mit dem Beschichtungssystem 2b näher erläutert. Das Beschichtungssystem 2b mit den Wasserstoffträger-Strömungskanälen 23, die auch als Stege bezeichnet werden, und den Fluid-Strömungskanälen 24 kann als Dehydrier- Aufsatz an einer Standard-PEM-Brennstoffzelle mit einer Membran 5, einer Anode 3 mit zweiter Katalysatorschicht 6, einer weiteren Sperrschicht 19 und einer Gasdiffusionsschicht 20 angebracht werden. Dazu kann das Beschichtungssystem 2b lösbar verbindbar angebracht werden. Alternativ ist es auch denkbar, das Beschichtungssystem 2b mit den Sperrschichten 16b stoffschlüssig an der Gasdiffusionsschicht 20 zu verbinden.

Zum Betrieb der Brennstoffzelle 1 mit dem Beschichtungssystem 2b wird das Wasserstoffträgermaterial in seiner wasserstoffreichen Form den Wasserstoffträger-Strömungskanälen 23 zugeführt. Das Wasserstoffträgermaterial durchströmt die Wasserstoffträger-Strömungskanäle 23 entlang der Strömungsrichtung 25. Aufgrund der Wasserstoffträger-Transportschicht 26 ist die Strömung des Wasserstoffträgermaterials begünstigt. Dadurch, dass das Wasserstoffträgermaterial während des Strömens entlang der Strömungsrichtung 25 mit der ersten Katalysatorschicht 15 in Kontakt kommt, wird Wasserstoffgas freigesetzt und das Wasserstoffträgermaterial in die wasserstoffarme Form überführt. Das Wasserstoffgas kann in den Bereichen, in welchen die Strömungskanalwand durch die Sperrschicht 16b gebildet ist, aus dem Wasserstoffträger-Strömungskanal 23 austreten. Die Sperrschicht 16b verhindert einen Austritt des Wasserstoffträgermaterials aus dem Wasserstoffträger-Strömungskanal 23. In den Fluid- Strömungskanälen 24 wird das Wasserstoffgas und möglicherweise sich bildendes Wasser und/oder eine andere Flüssigkeit gesammelt und kann innerhalb der Ebene des Beschichtungssystems 2b vorteilhaft abtransportiert werden. Ein Flüssigkeits ström, insbesondere entgegen des Wasserstoffgasstroms, also parallel zur Dickenrichtung 17, ist dadurch vermieden. Der Abtransport von Flüssigkeit ist vereinfacht und verbessert. Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 6 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Konstruktiv identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen, auf deren Beschreibung hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funktionell gleichartige Teile erhalten dieselben Bezugszeichen mit einem nachgestellten c.

Der wesentliche Unterschied gegenüber dem vorherigen Ausführungsbeispiel besteht darin, dass an der Trägerplatte 21 einteilig Seitenwände 27 befestigt sind, die die Wasserstoffträger-Strömungskanäle 23 vorgeben. Insbesondere sind die Seitenwände 27 aus einer Platte gefräst. Zwischen zwei benachbarten Seitenwänden 27 werden, insbesondere abwechselnd, jeweils ein Wasserstoffträger-Strömungskanal 23 und ein Fluid- Strömungskanal 24 gebildet. In dem Wasserstoffträger-Strömungskanal 23 werden nacheinander die Wasserstoffträger-Transportschicht 26, die erste Katalysatorschicht 15 und die Sperrschicht 16 angeordnet.

Das Beschichtungssystem 2c, insbesondere die Trägerplatte 21 mit den Seitenwänden 27 ist besonders unkompliziert und kosteneffizient herstellbar. Die Fertigung des Beschichtungssystems 2c ist vereinfacht. Insbesondere kann das Beschichtungssystem 2c als kompakte Baueinheit für die Aufrüstung einer bereits existierenden PEM-Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt werden.

Die Trägerplatte 21 ist insbesondere aus Metall, insbesondere Edelstahl und/oder Edelmetall, hergestellt. Die Trägerplatte 21 wird insbesondere aus Titan und/oder Kohlenstoff hergestellt. Denkbar ist, Metallfolien für die Herstellung der Trägerplatte 21 zu verwenden. Alternativ oder zusätzlich kann die Trägerplatte 21 auch Kunststoffmaterial aufweisen. Die Wandstärke der Seitenwände 27 beträgt zwischen 10 gm und 5 mm, insbesondere zwischen 50 gm und 3 mm, insbesondere zwischen 100 gm und 2 mm, insbesondere zwischen 500 gm und 1 mm. Die Breiten der Ste- ge und Kanäle betragen zwischen 100 gm und 5 mm, insbesondere zwischen 500 gm und 1 mm. Das Verhältnis der Breiten der Stege und der Kanäle bezogen auf die Wandstärke der Seitenwände 27 kann zwischen 5: 1 und 1:5, insbesondere zwischen 3: 1 und 1:3, insbesondere zwischen 2: 1 und 1:2 und insbesondere 1: 1 betragen.

Grundsätzlich denkbar ist es auch, einen Elektroly sator mit einem erfindungsgemäßen Beschichtungssystem auszuführen, wobei das Beschichtungssystem eine katalytisch aktive Schicht aufweist, um das Wasserstoffträgermaterial von der wasserstoffarmen Form in die wasserstoffreiche Form zu überführen, also zu hydrieren. Als Elektrolysator kann insbesondere die PEM-Brennstoffzelle dienen, die in umgekehrter Richtung betrieben werden kann.