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WO2024231125A1 - Method for producing a membrane-electrode assembly for an electrolysis cell via direct membrane deposition and electrolysis cell thus produced - Google Patents

Method for producing a membrane-electrode assembly for an electrolysis cell via direct membrane deposition and electrolysis cell thus produced Download PDF

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Publication number
WO2024231125A1
WO2024231125A1 PCT/EP2024/061413 EP2024061413W WO2024231125A1 WO 2024231125 A1 WO2024231125 A1 WO 2024231125A1 EP 2024061413 W EP2024061413 W EP 2024061413W WO 2024231125 A1 WO2024231125 A1 WO 2024231125A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
membrane
drying
carrier substrate
plastisol
electrolysis cell
Prior art date
Application number
PCT/EP2024/061413
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Konstantin MIERDEL
Christian Reller
Luise Schilde
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH & Co. KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH & Co. KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH & Co. KG
Publication of WO2024231125A1 publication Critical patent/WO2024231125A1/en

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Classifications

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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
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    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing or providing a membrane electrode arrangement, in particular for a PEM electrolysis cell. Furthermore, a correspondingly produced membrane electrode arrangement and a corresponding electrolysis cell or a corresponding electrolyzer are the subject of the present invention.
  • PEM electrolysis PEM for "polymer electrolyte membrane” or “proton exchange membrane”
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • proto exchange membrane a membrane that is gaining increasing potential as an energy carrier, e.g. for industrial applications or as a storage medium, due to its great potential for producing cost-effective green hydrogen.
  • element hydrogen (H 2 ) and/or the possibility of producing H 2 from renewable energy via PEM or water electrolysis has long since emerged as a key factor for the energy industry and related sectors.
  • H 2 element hydrogen
  • Hydrogen can serve as an energy storage medium, for example by being used as a fuel to increase the supply of electrical energy, particularly from renewable sources such as wind power, photovoltaics or the like. But hydrogen can also be used for other processes that require a fuel or a reducing agent.
  • the hydrogen obtained during electrolysis Hydrogen can therefore be used industrially, for example, or electrical energy can be generated electrochemically using fuel cells.
  • the separation of water into its chemical components hydrogen and oxygen (O2) can therefore be carried out using suitable electrolysis cells.
  • a particularly important form is the PEM electrolysis described, which - in particular compared to alkaline electrolysis approaches - has proven to be very load-dynamic and better suited to the coupling of fluctuating current levels due to less complex peripherals.
  • high current densities and powers can be achieved using PEM electrolysis even at higher load gradients, whereby the high quality or purity of the hydrogen product is advantageously maintained, for example, even in partial or overload operation.
  • Hydrogen is already used in countless applications in industry and technology.
  • the potential to produce H2 in large quantities in a climate-neutral manner and/or to store or transport it "carbon-free" using hydrogen carriers such as ammonia, for example, will continue to show completely new ways for the transport, chemical or steel industries, for example, to supply entire sectors with green energy or to operate them in a climate-friendly manner.
  • hydrogen as a fuel or additive for conventional fuels is already highly interesting, but also in the long term, because of its potential to cause no or fewer emissions.
  • a PEM electrolysis cell is provided with a membrane that has a catalyst layer on opposite surfaces.
  • the catalyst layers are usually bordered by gas diffusion layers, which in turn are bordered by electrically conductive contact plates, sometimes also called bipolar plates, which serve, among other things, for electrical contact.
  • the gas diffusion layers are also designed in such a way that they can enable the required material transport during the intended operation of the electrolysis cell.
  • the gas diffusion layer provides the required "electrical conductivity" to electrically couple the contact plates and the catalyst layers to one another. This enables the desired electrochemical reaction to be realized in the area of the catalyst layers.
  • Hydrogen is produced electrolytically from water as a reactant. This is an electrochemical process in which water is separated into its chemical components, oxygen and hydrogen.
  • the electrochemical cell reactions can be described and differentiated as follows:
  • the two partial reactions are spatially separated by an ion-conductive membrane, which must be suitably equipped with electrodes, in particular a cathodic catalyst and an anodic catalyst.
  • electrodes in particular a cathodic catalyst and an anodic catalyst.
  • significant cost reductions can be achieved by improving the manufacturing processes, among other things.
  • PEM hydrogen electrolyzers Since the production of PEM hydrogen electrolyzers (PEMWE) must increase significantly in terms of throughput and scale to achieve agreed climate targets, there is a compelling need for techniques that enable improving the throughput and manufacturing capacity of so-called corresponding catalyst-coated membranes or membrane electrode assemblies. Very expensive and therefore very rare precious metals are used as catalyst materials in many applications, particularly in PEM water electrolysis.
  • the catalyst material which is still pasty or paste-like during production, usually consists of the catalyst material itself, an ionomer, possibly a polymeric binder and a solvent.
  • PEM water electrolyzers are primarily measured by their efficiency.
  • the operational membrane as a solid-state electrolyte represents a considerable diffusion barrier.
  • the development trend is therefore towards ever thinner membranes with thicknesses of less than 100 pm.
  • Very thin membranes of, for example, less than 50 pm already represent highly fragile surface structures which reach their limits with conventional R2R coating methods and known work steps.
  • the state of the art uses the decal or thermal transfer printing process, whereby the "decal” usually consists of a thermally stable polyimide film onto which the catalyst paste is applied on one side.
  • the OER or HER catalyst is then transferred to the membrane in a further step by thermally pressing the decal/membrane fabric (lamination process).
  • Direct coating processes are generally known from the field of fuel cell development (cf. M. Klingele, M. Breitwieser, R. Zengerle, S. Thiele, J. Mater. Chem. A 2015, 3, 11239, Direct deposition of proton exchange membranes enabling high performance hydrogen fuel cells).
  • the known paste technologies are not suitable for R2R production (as described here).
  • the invention is therefore based on the object of providing a significantly improved method for the production of membrane electrode assemblies and corresponding PEM electrolysis cells and/or cell stacks.
  • the present invention is intended to provide means that solve the problems described above and show simple, novel solutions for producing correspondingly thin membranes in large volumes and throughputs.
  • the advantages of the present invention can improve and simplify the entire production process and thus enable the scaling of electrolyzers to ever higher hydrogen yields.
  • One aspect of the present invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly for an electrolytic cell or other electrochemical cell, such as a fuel cell, or the like, by means of direct membrane deposition.
  • the method comprises providing a carrier substrate, in particular a gas diffusion layer, for the electrolysis cell.
  • the substrate is preferably the cathodic gas diffusion layer (current collector). This advantageously enables the use of simpler or cheaper materials for these gas and liquid permeable layers.
  • the method further comprises the subsequent direct application or deposition of a pasty first catalyst material, preferably in the form of a corresponding paste or a plastisol for the HER catalyst (hydrogen evolution reaction) for the hydrogen reaction described above at the cathode. Accordingly, the application is advantageously carried out by means of direct membrane coating.
  • the method further comprises subsequently drying or curing the first catalyst material.
  • the method further comprises subsequently directly applying a toner plastisol, i.e. the dielectric, for the polymer electrolyte membrane or membrane of the electrolysis cell.
  • a toner plastisol i.e. the dielectric
  • This is particularly advantageously carried out at a temperature between, for example, 20 and 60 °C.
  • the ionomer plastisol is preferably applied in the same way as the catalysts are deposited by means of direct membrane coating.
  • the process further comprises subsequently drying or curing the toner plastisol.
  • the method further comprises subsequently applying directly (also preferably by means of direct membrane coating) a second pasty catalyst material, different from the first catalyst material, in particular an OER paste or a corresponding plastisol for the OER catalyst (English: "oxygen evolution reaction”) to the tonomer plastisol.
  • a second pasty catalyst material different from the first catalyst material, in particular an OER paste or a corresponding plastisol for the OER catalyst (English: "oxygen evolution reaction") to the tonomer plastisol.
  • the method expediently comprises drying or curing the second catalyst material.
  • the process described here advantageously enables the entire electrode structure of the cell, including the membrane, to be produced by direct application of a multilayer or multiple coating onto a conductive carrier substrate.
  • the DMD sandwich (direct membrane deposition) produced in this way enables the production of a membrane layer or ionomer layer with a thickness of less than 50 pm, preferably between 5 and 50 pm.
  • the direct connection of both electrodes using ionomer creates a mechanically stable connection.
  • the carrier substrate functions as a current collector.
  • the method also advantageously enables improved ionic and mechanical bonding of the catalyst particles to the membrane dielectric. Further advantages over known solutions include high material compatibility and very good paste stability with regard to sedimentation behavior. From an economic point of view, cost-intensive pressing processes and post-treatment processes are also eliminated.
  • the present invention therefore advantageously enables a direct and easily scalable R2R coating via DMD production of a membrane electrode arrangement that is particularly suitable for PEM water electrolysis.
  • the membrane thickness can advantageously be reduced and the electrochemical efficiency of the electrochemical cell in question can be greatly improved.
  • the mechanical integrity is sufficiently and robustly guaranteed and, in particular, the above-mentioned disadvantages of known methods are avoided.
  • the method according to the invention advantageously enables particularly rapid implementation or processing, without specialized process technology, complex pressing processes or extensive post-processing steps.
  • the separate provision of expensive membranes or membrane materials is no longer necessary. This means that existing raw materials can be provided highly efficiently, emissions during production can be reduced and the availability of rare catalyst materials can be largely maintained.
  • the process is also compatible with the use of fluorine-free ionomers.
  • the present invention enables cost-effective and particularly large-scale production of MEAs or catalyst-coated membranes for PEM water electrolysis.
  • the invention enables mass production of MEAs using roll-to-roll application technology and thus advantageously enables faster throughput times for corresponding electrolyzer components.
  • the first catalyst material comprises platinum, in particular solid or powdered so-called "platinum black" for the HER catalyst.
  • Pt/RuCh can be contained in said catalyst material.
  • the second catalyst material comprises iridium (Ir), in particular as a solid or powdered form, so-called "iridium black".
  • Ir iridium
  • the catalyst material can contain IrOOH, IrCh, Ir/TiCh, IrOOH/TiCh, IrOx/TiCh, Ir/SnCh, IrOx/SnCh or corresponding material systems.
  • ionomer plastisol for the "catalysts" as starting material is of the same type or similar to a corresponding material or plastisol for the membrane substrate. According to this embodiment, the connection of the catalyst layers to the membrane substrate is simplified.
  • the carrier substrate is open-pored (not necessarily microporous) or is made electrically conductive.
  • the carrier substrate comprises carbon or a carbon fleece.
  • a close-meshed metal fabric or corresponding metallic fabric can be used.
  • the drying or curing of the ionomer plastisol is carried out at a temperature of approximately 80 °C, in particular by means of circulating air drying. This supports effective curing and at the same time prevents thermal degradation of the structure.
  • a further drying or evaluation step of the ionomer plastisol is carried out at a temperature between 140 and 160 ° C, in particular by means of infrared drying.
  • this design also enables the plastisol to be dried effectively and prevents excessively high temperatures from entering the layer structure.
  • a further direct application of ionomer with separate (re)drying, in particular for 15 to 40 s at at least 140 °C, and/or a treatment with boiling water is carried out.
  • the use of boiling water can have an advantageous effect on the stability of the membrane, the (ionic) binding of the catalyst via the ionomer distribution and/or through an overall more favorable membrane or electrode morphology, which improves the performance.
  • the layer sequence is again thermally treated at approximately 140 to 160 °C, in particular for 5 to 15 minutes.
  • the respective pastes or plastisols are degassed beforehand by means of a vacuum treatment, for example at negative pressures between 10 and 100 mbar.
  • the described steps of direct application to the carrier substrate are carried out by means of a doctor blade application of a corresponding paste and, if necessary, a vacuum plate, wherein the vacuum plate is designed to hold the carrier substrate.
  • the described steps of direct application to the carrier substrate are carried out by means of a roll-to-roll application of a corresponding plastisol paste.
  • a corresponding oven can be used for heat treatment or drying and/or curing.
  • the steps of direct application to the carrier substrate are carried out via a slot nozzle.
  • the steps of directly applying a corresponding paste to the carrier substrate are carried out via an application roller.
  • a gas diffusion layer on the anode For the final production of a finished electrolysis cell, as is also the subject of the present invention, it is expedient to provide a gas diffusion layer on the anode. However, this can still be achieved expediently by pressing a corresponding layer, for example comprising an expanded metal made of titanium or a refractory metal at a certain pressure (e.g. 6 MPa) during the final assembly of the cell with corresponding contact plates.
  • a corresponding layer for example comprising an expanded metal made of titanium or a refractory metal at a certain pressure (e.g. 6 MPa) during the final assembly of the cell with corresponding contact plates.
  • a further aspect of the present invention relates to a membrane electrode arrangement, in particular a PEM membrane electrode arrangement with a gas diffusion layer as a carrier substrate and a catalyst-coated membrane (CCM), wherein the membrane electrode arrangement is manufactured or can be manufactured according to the described method, and wherein a membrane thickness is only between 5 and 50 pm.
  • the method according to the invention advantageously brings about the production of such thin membrane layers and thus the corresponding efficiency gains of the cell.
  • Yet another aspect of the present invention relates to an electrolysis cell comprising the described (PEM) membrane electrode assembly.
  • a further aspect of the present invention relates to a cell stack and/or an electrolyzer comprising a plurality of electrolysis cells, in particular electrically connected in series, as described above.
  • the present invention relates to PEM electrolyzers and furthermore to entire electrolysis or "Power-to-X" power plants with the electrolysis system described here.
  • Embodiments, features and/or advantages which relate to the method in the present case also relate to the manufactured product itself or the membrane arrangement as well as the electrolysis cell, the cell stack or the electrolysis system, and vice versa.
  • the term "and/or" or “respectively,” when used in a series of two or more elements, means that any of the elements listed may be used alone, or any combination of two or more of the elements listed may be used.
  • Figure 1 shows a schematic diagram of the functioning of a water electrolysis cell, particularly a PEM electrolysis cell, including a membrane electrode assembly (MEA).
  • Figure 2 generally indicates method steps according to the invention using a schematic flow diagram.
  • Figure 3 shows a simplified schematic view of a multiple layer (membrane electrode arrangement) produced according to the invention.
  • FIGS 4 and 5 each indicate further particular method steps according to the invention of the method presented.
  • FIGS 6 and 7 indicate further details of the layer application in the context of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows an electrolysis cell 30, in particular a PEM electrolysis cell for water electrolysis.
  • the core of such a polymer electrolyte membrane electrolysis cell 30 is usually formed by a membrane electrode arrangement 20 (MEA), which is indicated in the middle.
  • MEA 20 has a membrane 3 coated with catalysts.
  • a first catalyst material is identified by the reference symbol 2.
  • a second catalyst material is shown with the reference symbol 4.
  • the membrane 3 is usually coated with a layer of a respective catalyst material on both the anode side and the cathode side on two surfaces facing away from one another. The respective cell reaction of the electrolysis takes place in the area of the layer formed by the respective catalyst material.
  • reactant water is commonly provided on the anode side, which can be released and recovered by the electrolysis process into oxygen (O2) at the anode and hydrogen (H2) at the cathode.
  • the membrane 3 or a starting material which is usually to be coated for coating the membrane 1 with the "catalyst” usually contains a perfluorosulfonic acid material (PFSA), polymer or ionomer 2.
  • PFSA perfluorosulfonic acid material
  • This material can also be a solid or powdery, preferably undissolved sulfonated fluoropolymer or a perfluorinated copolymer with a sulfone group.
  • the coating method according to the invention is explained in more detail with reference to Figure 2 and the following figures.
  • Figure 2 merely indicates method steps according to the invention using a schematic flow diagram.
  • the method according to the invention is a process for producing a membrane electrode arrangement 20 for an electrolysis cell 30 by means of direct membrane deposition. Without limiting the generality, the method according to the invention is also suitable for producing another electrochemical cell, such as fuel cells.
  • the method comprises in step i) the provision of a carrier substrate 1, in particular a gas diffusion layer, for the electrolysis cell 30.
  • a carrier substrate 1 in particular a gas diffusion layer, for the electrolysis cell 30.
  • a continuous, porous carrier substrate strat can be used.
  • a microporous HER catalyst layer is then applied to the carrier substrate 1 using a doctor blade, "reverse roll” or "slot die” application.
  • a carbon GDL (“Gas Diffusion Layer” e.g. Freudenberg H23C8) or a carbon fleece or a close-meshed metal fabric or scrim can be used as the substrate 1.
  • the carrier substrate 1 must be electrically conductive.
  • the GDL should preferably be as open-pored as possible, but microporosity (MPL: microporous layer) is not absolutely necessary, since a HER catalyst layer is applied first, which is microporous. In any case, the GDL must enable sufficient water and gas transport.
  • MPL microporosity
  • the method comprises in step ii) the direct application of the in particular pasty first catalyst material 2 to the carrier substrate 1.
  • the method comprises in step iii) drying or curing the first catalyst material 2.
  • the method comprises in step iv) the direct application or deposition of an ionomer plastisol 3 for the membrane of the electrolysis cell 30.
  • the process further comprises in step v) the drying or curing of the ionomer plastisol 3.
  • the method comprises in step vi) the direct application of a second pasty catalyst material 4 onto the ionomer plastisol 3, and in step vii) the drying or curing of the second catalyst material 4.
  • Figure 3 shows a schematic view of a layer sequence as part of the membrane electrode arrangement 20 according to the invention.
  • the illustration shows the carrier substrate mentioned, preferably the cathodic gas diffusion layer 1.
  • the coating can be The application of the following layers can in principle also take place on the anode, i.e. an anodic gas diffusion layer is used as the carrier substrate 1.
  • this design is somewhat less favourable in practice, since due to the chemical requirements, refractory metal, preferably titanium, niobium or tantalum, must then be applied as a fibre fleece or similar, which is technically more difficult than if a corresponding carbon material forms the basis on the cathode.
  • the first catalyst material 2 is then deposited directly on the GDL carrier substrate 1 in the form of a paste (see reference numeral 6 below), as described.
  • the ionomer membrane 3 - also in the form of a paste 6 - is then applied directly on top of this using the method mentioned.
  • the finished membrane 3 can advantageously be produced using the method according to the invention described here with layer thicknesses between 5 and 50 pm, preferably significantly below 50 pm, such as 40 pm, 30 pm, 20 pm or even 10 pm. This results in advantageously low contact resistances on the membrane, as described above, which significantly improve the electrochemical efficiency of the cell 30 in contrast to known solutions.
  • the catalyst layer thicknesses in the finished state of the cell 30 can, for example, be between 5 and 20 pm each.
  • the first catalyst material 2 preferably comprises platinum, in particular solid or powdered so-called "platinum black” for the HER catalyst.
  • Pt/RuCb can be contained in said catalyst material.
  • the second catalyst material 4 preferably comprises iridium (Ir), in particular as solid or powdered so-called "iridium black".
  • the catalyst material can contain IrOOH, IrC>2, Ir/TiCp, IrOOH/TiCp, IrOx/TiCp, Ir/SnCp, IrOx/SnCp or corresponding material systems.
  • Catalyst pastes 2 and 4 should preferably have a solids content of 15 to 50 wt. %.
  • the ionomer content of catalyst pastes should ideally be between 5 and 15 wt. %.
  • the viscosity of the paste should also be between 500 and 2500 mPas.
  • a catalyst paste should be provided which enables efficient coating of the catalyst particles with ionomer or PFSA and a stable paste for applications on an industrial scale, but in particular shows little or no demixing or sedimentation. This has proven to be successful with the conditions described here.
  • a paste generally designated with the reference symbol 6 (regardless of the layer or application) or a corresponding plastisol should ideally be applied in a temperature range between 20 and 60 °C.
  • FIG 4 shows a first embodiment, according to which the roll-to-roll process for high layer throughputs is already indicated by the rollers 16 (see also Figures 6 and 7 below).
  • the carrier substrate 1 mentioned is then also provided in step i) according to the invention.
  • the membrane layer 3 (not shown in detail in Figure 4) is applied in step iv).
  • a plastisol with a polymer content of 10 to 30 wt.% is best used.
  • the layer is then dried at 80 °C, ideally in a circulating air dryer.
  • the pure iono- mer layer (dielectric) by applying ionomer plastisol, for example using the application technique mentioned above.
  • a further drying step takes place at 140 to 160 °C, preferably in an infrared drying device, e.g. for a period of 15 to 40 s.
  • a further ionomer application can be carried out simultaneously or subsequently with renewed drying for 15 to 40 s at 140°C and treatment with boiling water (cf. H2O at 100°C).
  • the coating is carried out using OER catalyst 4 and a renewed drying at about 80°C (cf. steps vi) and vii) ).
  • the multilayer structure produced in this way (cf. "sandwich” structure, as shown in Figure 3) is subsequently subjected to further mechanical and/or thermal treatments.
  • the sandwich 20 could preferably be post-treated in a "curing" step at 140 to 160°C for 5 to 15 minutes.
  • the respective pastes or plastisols 6 are further degassed beforehand, for example by a vacuum treatment at a negative pressure of 10 to 100 mbar.
  • a vacuum disperser e.g. CDS 3000
  • CDS 3000 can also be advantageous.
  • Figure 5 does not show the use of boiling water by way of membrane separation according to the invention. Instead, a second ionomer application indicated by the arrow is explicitly marked.
  • the paste for the first catalyst (HER) 2 may, for example, comprise 10 g of a PFSA plastisol in at least 14 wt.% proportions in a solvent such as 2-pyrrolidone, and in particular sondere 10 g Pt-black catalyst, and 35g additional 2-pyrrolidone.
  • the paste for the second catalyst (OER) 4 may, for example, comprise 13 g of a PFSA plastisol (Pemion) in at least 14 wt. % proportions in a solvent such as 2-pyrrolidone, and in particular 13 g of Ir-black particles, and 35 g of additional 2-pyrrolidone.
  • PFSA plastisol Porous PFSA plastisol
  • membrane three for example, a PFSA or perfluorinated copolymer such as Nafion from Chemours, in particular 20 wt.% in water or spray-dried powder dissolved in 30 g of 2-pyrrolidone, can be used.
  • PFSA or perfluorinated copolymer such as Nafion from Chemours, in particular 20 wt.% in water or spray-dried powder dissolved in 30 g of 2-pyrrolidone
  • N-methyl-2-pyrrolidone dimethyl sulfoxide, gamma-butyrolactone, dimethyl formamide, or diethyl formamide can be used as solvents.
  • the membrane layer 3 can be applied by extrusion in melt flow.
  • the technical implementation of the innovative multi-layer application can be achieved using standardized application technology, e.g. using slot nozzle, doctor blade or roller applicators, as is schematically explained in Figures 6 and 7.
  • the dimension (coating width) is in principle not subject to any limitation, so that the scalability of the electrolysis cells is not restricted by the process.
  • Figure 6 shows part of a schematic side or sectional view of an application device 10, which uses the general roll-to-roll principle.
  • the application of the paste 6 is preferably carried out via so-called slot nozzles 13, which are shown as an example on the right in the illustration.
  • a first layer application as more precisely described above with reference to Figures 3 and 4, can be carried out via the nozzle 13 shown on the right, for example for the first catalyst material 2.
  • the layer application (also not explicitly shown in Figure 6) can be dried or pre-dried or even cured in an oven 15 (see above).
  • Media dosing during the wide slot nozzle application of the paste 6 can, for example, be carried out via so-called eccentric screw pumps and under the proviso that the system 10 has an unwinder with brake, a strip tension (e.g. 50 Nm), a double-sided slot nozzle coater with a passage width of approx. 10 cm, a substrate thickness of approx.
  • a strip tension e.g. 50 Nm
  • a double-sided slot nozzle coater with a passage width of approx. 10 cm, a substrate thickness of approx.
  • Coating via slot nozzles advantageously offers the possibility of controlling the desired wet film layer thickness of the application by means of the measured mass flow and a predetermined substrate speed.
  • Figure 7 shows an alternative embodiment, namely that of a coating device 10 with application or metering rollers 14, by means of which the coating can advantageously be carried out in a simple and self-metering manner.
  • the process can otherwise be carried out essentially analogously to the description of Figures 3 to 6.
  • This type of coating (also called reverse roll coating) is particularly useful for producing uniformly coated membrane electrode arrangements 20.
  • a double-chamber furnace 15 with spatial dimensions of significantly more than 1 m can also be used, as well as corresponding Suitable circulating air or floating dryers are used to apply the coating as evenly and as widely as possible on the membrane 1 .
  • a simple doctor blade application (not explicitly marked in the figures) can be carried out, whereby the paste 6 is distributed and/or applied with a doctor blade onto the carrier substrate 1, which is held and/or moved, for example, by a vacuum plate (not explicitly marked in the figures).
  • This design is particularly useful for test batches or laboratory samples on a smaller scale.
  • the GDL carrier 1 coated with the paste 6 can be dried, for example, in an oven as described above.

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Abstract

A method is specified for producing a membrane-electrode assembly (20) for an electrolysis cell (30) via direct membrane deposition. The method comprises (i) providing a carrier substrate (1), more particularly a gas diffusion layer, for the electrolysis cell (30), (ii) directly applying a paste-like first catalyst material (2) to the carrier substrate (1), (iii) drying/curing the first catalyst material (2), (iv) directly applying an ionomer plastisol (3) for the membrane of the electrolysis cell, (v) drying/curing the ionomer plastisol (3), (vi) directly applying a second paste-like catalyst material (4) to the ionomer plastisol (3), and (vii) drying/curing the second catalyst material (4). Additionally specified are a correspondingly produced membrane-electrode assembly (20), an electrolysis cell (30) comprising said assembly, and a corresponding cell stack.

Description

Beschreibung Description

Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung für eine Elektrolysezelle mittels direkter Membranabscheidung und entsprechend hergestellte Elektrolysezelle Method for producing a membrane electrode arrangement for an electrolysis cell by means of direct membrane deposition and electrolysis cell produced accordingly

Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Herstellung bzw . Bereitstellung einer Membranelektrodenanordnung, insbesondere für eine PEM-Elektrolysezelle . Weiterhin sind eine entsprechend hergestellte Membranelektrodenanordnung und eine entsprechende Elektrolysezelle bzw . ein entsprechender Elektrolyseur Gegenstand der vorliegenden Erfindung . The present invention relates to a method for producing or providing a membrane electrode arrangement, in particular for a PEM electrolysis cell. Furthermore, a correspondingly produced membrane electrode arrangement and a corresponding electrolysis cell or a corresponding electrolyzer are the subject of the present invention.

Die sogenannte PEM-Elektrolyse ( PEM für „Polymer-Elektrolyt- Membran" oder „Proton Exchange Membrane" ) gewinnt aufgrund ihres großen Potenzials zur Herstellung von kostengünstigem grünem Wasserstof f zunehmend Potenzial als Energieträger, z . B . für industrielle Anwendungen oder als Speichermedium . Im Zuge des Klimawandels hat sich das Element Wasserstof f (H2 ) und/oder die Möglichkeit der Herstellung von H2 aus erneuerbarer Energie über die PEM- oder Wasser-Elektrolyse für die Energiewirtschaft und benachbarte Sektoren längst als Schlüssel faktor herausgestellt . Auch wenn der größte Teil des Wasserstof fs heutzutage noch durch Dampf reformierung von Methan hergestellt wird, führen aggressive Investitionen und Fördermaßnahmen absehbar einen Trend hin zur regenerativen Wasserstof f erzeugung herbei . So-called PEM electrolysis (PEM for "polymer electrolyte membrane" or "proton exchange membrane") is gaining increasing potential as an energy carrier, e.g. for industrial applications or as a storage medium, due to its great potential for producing cost-effective green hydrogen. In the wake of climate change, the element hydrogen (H 2 ) and/or the possibility of producing H 2 from renewable energy via PEM or water electrolysis has long since emerged as a key factor for the energy industry and related sectors. Even though most hydrogen is still produced today by steam reforming of methane, aggressive investment and funding measures are foreseeable leading to a trend towards regenerative hydrogen production.

Ein besonders vielversprechendes Verfahren zum Gewinnen von Wasserstof f (H2 ) ist die Elektrolyse von Wasser, insbesondere unter Nutzung von elektrischer erneuerbarer Energie . Wasserstof f kann hier unter anderem als Energiespeicher dienen, indem er beispielsweise als Brennstof f genutzt wird, um die elektrische Energieversorgung insbesondere aus erneuerbaren Quellen, wie Windkraft , Photovoltaik oder dergleichen zu ver- stetigen . Aber auch für andere Prozesse , bei denen ein Brennstof f oder ein Reduktionsmittel benötigt wird, kann Wasserstof f eingesetzt werden . Der bei der Elektrolyse gewonnene Wasserstof f kann somit beispielsweise industriell genutzt werden oder es kann unter Nutzung von Brennstof f zellen auf elektrochemische Weise wieder elektrische Energie gewonnen werden . A particularly promising method for producing hydrogen (H 2 ) is the electrolysis of water, particularly using electrical renewable energy. Hydrogen can serve as an energy storage medium, for example by being used as a fuel to increase the supply of electrical energy, particularly from renewable sources such as wind power, photovoltaics or the like. But hydrogen can also be used for other processes that require a fuel or a reducing agent. The hydrogen obtained during electrolysis Hydrogen can therefore be used industrially, for example, or electrical energy can be generated electrochemically using fuel cells.

Das Trennen von Wasser in seine chemischen Bestandteile Wasserstof f und Sauerstof f ( O2 ) kann also mittels geeigneter Elektrolysezellen durchgeführt werden . Eine besonders wichtige Form ist die beschriebene PEM-Elektrolyse , welche sich insbesondere - gegenüber alkalischen Elektrolyseansätzen - durch weniger komplexe Peripherie als sehr lastdynamisch und für die Kopplung von schwankenden Strompegeln als besser geeignet erweist . Insbesondere können über die PEM-Elektrolyse hohe Stromdichten und Leistungen auch bei höheren Lastgradienten erreicht werden, wobei die hohe Güte oder Reinheit des Wasserstof fprodukts beispielsweise auch im Teil- oder Überlastbetrieb vorteilhafterweise erhalten bleibt . The separation of water into its chemical components hydrogen and oxygen (O2) can therefore be carried out using suitable electrolysis cells. A particularly important form is the PEM electrolysis described, which - in particular compared to alkaline electrolysis approaches - has proven to be very load-dynamic and better suited to the coupling of fluctuating current levels due to less complex peripherals. In particular, high current densities and powers can be achieved using PEM electrolysis even at higher load gradients, whereby the high quality or purity of the hydrogen product is advantageously maintained, for example, even in partial or overload operation.

Wasserstof f findet in zahllosen Anwendungen in der Industrie und der Technik bereits Anwendung . Durch das Potenzial , H2 klimaneutral in großen Mengen herstellen zu können und/oder beispielsweise über Wasserstof f träger, wie Ammoniak, „kohlenstof f frei" zu speichern oder zu transportieren, werden beispielsweise dem Verkehr oder der Chemie- oder Stahlindustrie weiterhin komplett neue Wege aufgezeigt , ganze Sektoren mit grüner Energie zu versorgen, oder klimafreundlich zu betreiben . Zudem ist Wasserstof f als Brennstof f oder Zusatz für konventionelle Brennstof fe bereits j etzt aber auch perspektivisch hochinteressant wegen seines Potenzials , keine oder weniger Emissionen hervorzurufen . Hydrogen is already used in countless applications in industry and technology. The potential to produce H2 in large quantities in a climate-neutral manner and/or to store or transport it "carbon-free" using hydrogen carriers such as ammonia, for example, will continue to show completely new ways for the transport, chemical or steel industries, for example, to supply entire sectors with green energy or to operate them in a climate-friendly manner. In addition, hydrogen as a fuel or additive for conventional fuels is already highly interesting, but also in the long term, because of its potential to cause no or fewer emissions.

Bei einer PEM-Elektrolysezelle ist eine Membran vorgesehen, die an voneinander abgewandten Oberflächen eine j eweilige Katalysatorschicht aufweist . An die Katalysatorschichten grenzen in der Regel j eweilige Gasdi f fusionsschichten, an die ihrerseits j eweilige elektrisch leitfähige Kontaktplatten angrenzen, gelegentlich auch Bipolarplatten genannt , die unter anderem der elektrischen Kontaktierung dienen . Vorzugsweise sind die Gasdi f fusionsschichten zugleich so ausgebildet , dass sie den erforderlichen Stof f transport während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Elektrolysezelle ermöglichen können . Die Gasdi f fusionsschicht stellt die erforderliche „elektrische Leitfähigkeit" bereit , um die Kontaktplatten und die Katalysatorschichten elektrisch miteinander zu koppeln . Dadurch kann im Bereich der Katalysatorschichten die gewünschte elektrochemische Reaktion realisiert werden . A PEM electrolysis cell is provided with a membrane that has a catalyst layer on opposite surfaces. The catalyst layers are usually bordered by gas diffusion layers, which in turn are bordered by electrically conductive contact plates, sometimes also called bipolar plates, which serve, among other things, for electrical contact. Preferably, the gas diffusion layers are also designed in such a way that they can enable the required material transport during the intended operation of the electrolysis cell. The gas diffusion layer provides the required "electrical conductivity" to electrically couple the contact plates and the catalyst layers to one another. This enables the desired electrochemical reaction to be realized in the area of the catalyst layers.

Das Erzeugen von Wasserstof f erfolgt elektrolytisch aus Wasser als Edukt . Es handelt sich hierbei um einen elektrochemischen Vorgang, bei dem Wasser in seine chemischen Bestandteile , Sauerstof f und Wasserstof f , getrennt wird . Die elektrochemischen Zellreaktionen können wie folgt beschrieben und unterschieden werden :

Figure imgf000005_0001
Hydrogen is produced electrolytically from water as a reactant. This is an electrochemical process in which water is separated into its chemical components, oxygen and hydrogen. The electrochemical cell reactions can be described and differentiated as follows:
Figure imgf000005_0001

Bei einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse werden die j eweiligen zwei Teilreaktionen räumlich durch eine lonen- leitfähige Membran getrennt , welche zweckmäßigerweise mit Elektroden, insbesondere einem kathodischen Katalysator und einem anodischen Katalysator versehen werden muss . Neben Materialverbesserungen lassen sich durch Verbesserungen der Fertigungsprozesse unter anderem signi fikante Kostensenkungen erreichen . In polymer electrolyte membrane electrolysis, the two partial reactions are spatially separated by an ion-conductive membrane, which must be suitably equipped with electrodes, in particular a cathodic catalyst and an anodic catalyst. In addition to material improvements, significant cost reductions can be achieved by improving the manufacturing processes, among other things.

Da die Produktion von PEM-Wasserstof f elektrolyseuren ( PEMWE ) in puncto Durchsatz und Maßstab ( Skalierung) deutlich zunehmen muss , um vereinbarte Klimaziele zu erreichen, besteht ein zwingender Bedarf an Techniken, die es ermöglichen, den Durchsatz und die Herstellungskapazität von sogenannten entsprechenden katalysatorbeschichteten Membranen oder Membranelektrodenanordnungen zu verbessern . Als Katalysatormaterialien kommen bei vielen Anwendungen, insbesondere bei der PEM-Wasserelektrolyse , sehr teure und dementsprechend sehr seltene Edelmetalle zum Einsatz . Das während der Herstellung noch pastöse oder pastenförmige Katalysatormaterial besteht dabei in der Regel aus dem Katalysatormaterial selbst , einem Ionomer, ggf . einem polymerischen Binder sowie einem Lösungsmittel . Since the production of PEM hydrogen electrolyzers (PEMWE) must increase significantly in terms of throughput and scale to achieve agreed climate targets, there is a compelling need for techniques that enable improving the throughput and manufacturing capacity of so-called corresponding catalyst-coated membranes or membrane electrode assemblies. Very expensive and therefore very rare precious metals are used as catalyst materials in many applications, particularly in PEM water electrolysis. The catalyst material, which is still pasty or paste-like during production, usually consists of the catalyst material itself, an ionomer, possibly a polymeric binder and a solvent.

Um beispielsweise das Ziel des US-Energieministeriums von Wasserstof fproduktionskosten unter 2 USD/ kg zu erreichen, sind technische Fortschritte bei Elektrolysesystemen unabdingbar . Neben Materialverbesserungen lassen sich durch Verbesserungen der Fertigungsprozesse prinzipiell signi fikante Kostensenkungen und Ef fi zienzgewinne ableiten . Da die Produktion von Polymerelektrolytmembran-Wasserelektrolyseuren ( PEMWE ) im Maßstab zunimmt , werden daher hochvolumige Rolle- zu-Rolle-Herstellungsverf ahren (R2R) benötigt , um sowohl die Volumen- oder Durchsatz- als auch die Kostenziele zu erreichen . For example, to achieve the US Department of Energy's goal of hydrogen production costs below $2/kg, technical advances in electrolysis systems are essential. In addition to material improvements, improvements in manufacturing processes can in principle lead to significant cost reductions and efficiency gains. As the production of polymer electrolyte membrane water electrolyzers (PEMWEs) increases in scale, high-volume roll-to-roll (R2R) manufacturing processes are therefore required to achieve both volume or throughput and cost targets.

PEM-Wasserelektrolyseure werden maßgeblich an ihrer Ef fi zienz gemessen . Neben ohmschen Verlusten stellt die betriebs fähige Membran als Festkörperelektrolyt eine beträchtliche Di f fusionsbarriere da . Der Entwicklungstrend geht daher zu immer dünneren Membranen mit Dicken von weniger al s 100 pm . Sehr dünne Membranen von beispielsweise unterhalb von 50 pm stellen bereits hochfragile Flächengebilde dar, welche durch konventionelle R2R-Beschichtungsmethoden und bekannte Arbeitsschritte an ihre Grenzen stoßen . PEM water electrolyzers are primarily measured by their efficiency. In addition to ohmic losses, the operational membrane as a solid-state electrolyte represents a considerable diffusion barrier. The development trend is therefore towards ever thinner membranes with thicknesses of less than 100 pm. Very thin membranes of, for example, less than 50 pm already represent highly fragile surface structures which reach their limits with conventional R2R coating methods and known work steps.

Aus der Literatur sind eine Viel zahl technischer Beschichtungsmethoden bekannt , die auf Wasser-Alkohol- lonomerdispersionen basieren . Diese Methoden sind aber für eine Membranherstellung und Beschichtung wenig geeignet , da das Dispersionsmittel Wasser bzw . Alkohole zu einem starken Quellverhalten des Ionomers führen, wodurch die Form- oder Dimensionsstabilität nachteilhafterweise verloren geht . Polymerdispersionsbasierte Katalysatortinten weisen eine sehr niedrige Viskosität auf und neigen bereits nach wenigen Minuten zur Entmischung. Durch den Zusatz von Verdickern wie z.B. Methylethylcellulose kann zwar oftmals die Viskosität erhöht werden. Jedoch müssen derartige Hilfsstoffe thermisch wieder zersetzt bzw. bei Temperaturen oberhalb von 300 °C ausgebrannt werden, wodurch auch die Membran zersetzt würde bzw. die Katalysatoren strukturell geschädigt würden. Um dies zu vermeiden, wird daher im Stand der Technik das Decal- oder Thermotransferdruck-Verfahren verwendet, wobei der „Decal" üblicherweise aus einer thermisch stabilen Polyimidfolie besteht, auf die die Katalysatorpaste einseitig aufgetragen wird. Der OER- bzw. HER-Katalysator werden dann in einem weiteren Schritt durch thermische Verpressung des Decal/ - Membrangeleges (Laminierprozess) auf die Membran übertragen. A large number of technical coating methods based on water-alcohol ionomer dispersions are known from the literature. However, these methods are not very suitable for membrane production and coating, since the dispersing agent water or alcohols lead to a strong swelling behavior of the ionomer, which disadvantageously leads to a loss of form or dimensional stability. Polymer dispersion-based catalyst inks have a very low viscosity and tend to separate after just a few minutes. The viscosity can often be increased by adding thickeners such as methylethylcellulose. However, such auxiliary substances must be thermally decomposed or burned out at temperatures above 300 °C, which would also decompose the membrane or structurally damage the catalysts. To avoid this, the state of the art uses the decal or thermal transfer printing process, whereby the "decal" usually consists of a thermally stable polyimide film onto which the catalyst paste is applied on one side. The OER or HER catalyst is then transferred to the membrane in a further step by thermally pressing the decal/membrane fabric (lamination process).

Die hohe Anzahl an Prozessschritten resultiert ungünstigerweise in langen Durchlaufzeiten und höheren Prozesskosten. Keines der bekannten Verfahren ermöglich die Herstellung einer vollständigen Membranelektrodenanordnung für Elektrolysezellen (englisch: MEA für Membrane Electrode Assembly) inclusive der Membrankomponente. The high number of process steps unfortunately results in long processing times and higher process costs. None of the known processes enables the production of a complete membrane electrode assembly for electrolysis cells (MEA) including the membrane component.

Direktbeschichtungsverfahren sind aus dem Bereich der Brennstoffzellenentwicklung zwar generell bekannt (vgl. M. Klingele, M. Breitwieser, R. Zengerle, S. Thiele, J. Mater. Chem. A 2015, 3, 11239, Direct deposition of proton exchange membranes enabling high performance hydrogen fuel cells) . Jedoch sind die bekannten Pastentechnologien nicht für eine R2R- Herstellung (wie vorliegend beschrieben) geeignet. Direct coating processes are generally known from the field of fuel cell development (cf. M. Klingele, M. Breitwieser, R. Zengerle, S. Thiele, J. Mater. Chem. A 2015, 3, 11239, Direct deposition of proton exchange membranes enabling high performance hydrogen fuel cells). However, the known paste technologies are not suitable for R2R production (as described here).

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein deutlich verbessertes Verfahren für die Herstellung von Membranelektrodenanordnungen und entsprechenden PEM-Elektrolysezellen, und/oder Zellstapeln bereitzustellen. Insbesondere sollen durch die vorliegende Erfindung Mittel angegeben werden, die die oben beschriebenen Probleme lösen und einfache, neuartige Lösungen aufzeigen, entsprechend dünne Membranen in großen Volumina und Durchsätzen herzustellen . Durch die Vorzüge der vorliegenden Erfindung kann damit die gesamte Herstellung verbessert und vereinfacht und somit die Skalierung von Elektrolyseuren hin zu immer höheren Wasserstof f ertragen ermöglicht werden . The invention is therefore based on the object of providing a significantly improved method for the production of membrane electrode assemblies and corresponding PEM electrolysis cells and/or cell stacks. In particular, the present invention is intended to provide means that solve the problems described above and show simple, novel solutions for producing correspondingly thin membranes in large volumes and throughputs. The advantages of the present invention can improve and simplify the entire production process and thus enable the scaling of electrolyzers to ever higher hydrogen yields.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche . This object is achieved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent patent claims.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung für eine Elektrolysezelle oder eine andere elektrochemische Zelle , wie eine Brennstof f zelle , oder dergleichen mittels direkter Membranabscheidung . One aspect of the present invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly for an electrolytic cell or other electrochemical cell, such as a fuel cell, or the like, by means of direct membrane deposition.

Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Trägersubstrates , insbesondere einer Gasdi f fusionsschicht , für die Elektrolysezelle . Vorzugsweise handelt es sich bei dem Substrat um die kathodische Gasdi f fusionsschicht ( Stromkollektor ) . Dies ermöglicht vorteilhafterweise die Verwendung von einfacheren bzw . günstigeren Materialien dieser gas- und flüssigkeitsdurchlässigen Schichten . The method comprises providing a carrier substrate, in particular a gas diffusion layer, for the electrolysis cell. The substrate is preferably the cathodic gas diffusion layer (current collector). This advantageously enables the use of simpler or cheaper materials for these gas and liquid permeable layers.

Das Verfahren umfasst weiterhin anschließend das direkte Aufträgen oder Abscheiden eines pastösen ersten Katalysatormaterials , vorzugsweise in Form einer entsprechenden Paste oder eines Plastisols für den HER-Katalysator ( englisch : „hydrogen evolution reaction" ) für die oben beschriebene Wasserstof f re- aktion an der Kathode . Entsprechend erfolgt das Aufträgen vorteilhafterweise mittels Direktmembranbeschichtung . The method further comprises the subsequent direct application or deposition of a pasty first catalyst material, preferably in the form of a corresponding paste or a plastisol for the HER catalyst (hydrogen evolution reaction) for the hydrogen reaction described above at the cathode. Accordingly, the application is advantageously carried out by means of direct membrane coating.

Das Verfahren umfasst weiterhin anschließend das Trocknen bzw . Aushärten des ersten Katalysatormaterials . The method further comprises subsequently drying or curing the first catalyst material.

Das Verfahren umfasst weiterhin anschließend das direkte Aufträgen eines Tonomerplastisols , d . h . des Dielektrikums , für die Polymer-Elektrolytmembran oder Membran der Elektrolyse- zelle . Dies erfolgt besonders zweckmäßig bei einer Temperatur zwischen beispielsweise 20 und 60 ° C . Der Auftrag des lono- merplastisols erfolgt vorzugsweise artgleich zum Abscheiden der Katalysatoren mittels Direktmembranbeschichtung . The method further comprises subsequently directly applying a toner plastisol, i.e. the dielectric, for the polymer electrolyte membrane or membrane of the electrolysis cell. This is particularly advantageously carried out at a temperature between, for example, 20 and 60 °C. The ionomer plastisol is preferably applied in the same way as the catalysts are deposited by means of direct membrane coating.

Das Verfahren umfasst weiterhin anschließend das Trocknen bzw . Aushärten des Tonomerplastisols . The process further comprises subsequently drying or curing the toner plastisol.

Das Verfahren umfasst weiterhin anschließend das direkte ( ebenfalls vorzugsweise mittels Direktmembranbeschichtung) Aufträgen eines zweiten, von dem ersten Katalysatormaterial verschiedenen, pastösen Katalysatormaterials , insbesondere einer OER-Paste oder eines entsprechenden Plastisols für den OER-Katalysator ( englisch : „oxygen evolution reaction" ) auf das Tonomerplastisol . The method further comprises subsequently applying directly (also preferably by means of direct membrane coating) a second pasty catalyst material, different from the first catalyst material, in particular an OER paste or a corresponding plastisol for the OER catalyst (English: "oxygen evolution reaction") to the tonomer plastisol.

Weiterhin umfasst das Verfahren zweckmäßigerweise das Trocknen bzw . Aushärten des zweiten Katalysatormaterials . Furthermore, the method expediently comprises drying or curing the second catalyst material.

Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht vorteilhafterweise die Herstellung des gesamten Elektrodenaufbaus der Zelle inklusive der Membran durch eine Multilagen- oder Viel fach- Beschichtung auf einem leitfähigen Trägersubstrat durch Direktauftrag . Das so erzeugte DMD-Sandwich ( Direct Membrane Deposition) ermöglicht insbesondere die Erzeugung einer Membranlage oder Tonomerschicht mit einer Dicke von weniger als 50 pm, vorzugsweise zwischen 5 und 50 pm . Durch die direkte Anbindung beider Elektroden mittels Ionomer entsteht eine mechanisch stabile Verbindung . Das Trägersubstrat hat dabei die Funktion eines Stromkollektors . Die Methode ermöglicht darüber hinaus vorteilhafterweise eine verbesserte ionische und mechanische Anbindung der Katalysatorpartikel an das Membrandielektrikum . Als weitere Vorteile gegenüber bekannten Lösungen sind die hohe Materialkompatibilität und sowie eine sehr gute Pastenstabilität hinsichtlich des Sedimentierverhaltens zu nennen . Aus wirtschaftlicher Sicht entfallen weiterhin kostenintensive Pressverfahren bzw . Nachbehandlungsprozesse . Die vorliegende Erfindung ermöglicht also mit Vorteil eine direkte und einfach skalierbare R2R-Beschichtung über DMD- Fertigung einer Membran Elektrodenanordnung, die sich insbesondere für die PEM-Wasserelektrolyse eignet . Die Membrandicke kann dabei vorteilhafterweise reduziert und die elektrochemische Ef fi zienz der betref fenden elektrochemischen Zelle stark verbessert werden . Gleichzeitig wird die mechanische Integrität hinreichend und robust gewährleistet und insbesondere die oben genannten Nachteile bekannter Verfahren umgangen . Zudem ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren mit Vorteil eine besonders schnelle Durchführ- oder Prozessierbar- keit , ohne spezialisierte Verfahrenstechnik, aufwändige Pressverfahren oder extensive Nachbearbeitungsschritte . The process described here advantageously enables the entire electrode structure of the cell, including the membrane, to be produced by direct application of a multilayer or multiple coating onto a conductive carrier substrate. The DMD sandwich (direct membrane deposition) produced in this way enables the production of a membrane layer or ionomer layer with a thickness of less than 50 pm, preferably between 5 and 50 pm. The direct connection of both electrodes using ionomer creates a mechanically stable connection. The carrier substrate functions as a current collector. The method also advantageously enables improved ionic and mechanical bonding of the catalyst particles to the membrane dielectric. Further advantages over known solutions include high material compatibility and very good paste stability with regard to sedimentation behavior. From an economic point of view, cost-intensive pressing processes and post-treatment processes are also eliminated. The present invention therefore advantageously enables a direct and easily scalable R2R coating via DMD production of a membrane electrode arrangement that is particularly suitable for PEM water electrolysis. The membrane thickness can advantageously be reduced and the electrochemical efficiency of the electrochemical cell in question can be greatly improved. At the same time, the mechanical integrity is sufficiently and robustly guaranteed and, in particular, the above-mentioned disadvantages of known methods are avoided. In addition, the method according to the invention advantageously enables particularly rapid implementation or processing, without specialized process technology, complex pressing processes or extensive post-processing steps.

Wirtschaftlich entfällt die separate Bereitstellung von teuren Membranen oder Membranmaterialien . So können bestehende Rohstof fe hochef fi zient bereitgestellt , Emissionen bei der Herstellung gesenkt und die Verfügbarkeit seltener Katalysatormaterialien weitgehend aufrechterhalten werden . Noch weiterhin ist das Verfahren kompatibel mit der Verwendung von fluorfreien lonomeren . Die vorliegende Erfindung ermöglicht schließlich eine kostengünstige und besonders groß flächige Herstellung von MEAs oder katalysatorbeschichteten Membranen für die PEM-Wasserelektrolyse . Economically, the separate provision of expensive membranes or membrane materials is no longer necessary. This means that existing raw materials can be provided highly efficiently, emissions during production can be reduced and the availability of rare catalyst materials can be largely maintained. The process is also compatible with the use of fluorine-free ionomers. Finally, the present invention enables cost-effective and particularly large-scale production of MEAs or catalyst-coated membranes for PEM water electrolysis.

Aber auch der Auftrag der genannten Katalysatoren oder entsprechend katalytisch wirkender Metalle , sei es für die oben beschriebene Wasserstof f reaktion an der Kathode , oder als OER für eine anodenseitige Sauerstof f reaktion, kann durch die Vorzüge der vorliegenden Erfindung vorteilhaft deutlich verbessert werden . But also the application of the mentioned catalysts or corresponding catalytically active metals, be it for the hydrogen reaction at the cathode described above, or as OER for an anode-side oxygen reaction, can be advantageously significantly improved by the advantages of the present invention.

Weiterhin erschließt die Erfindung eine Massenfertigung von MEAs in Rolle- zu-Rolle-Auf tragstechnik und ermöglicht so vorteilhaft schnellere Durchlauf zeiten von entsprechenden Elektrolyseur-Bauteilen . In einer Ausgestaltung umfasst das erste Katalysatormaterial Platin, insbesondere festes bzw . pulverförmiges sogenanntes „Platinum Black" für den HER-Katalysator . Als Alternative dazu oder zusätzlich kann Pt/RuCh in besagtem Katalysatormaterial enthalten sein . Furthermore, the invention enables mass production of MEAs using roll-to-roll application technology and thus advantageously enables faster throughput times for corresponding electrolyzer components. In one embodiment, the first catalyst material comprises platinum, in particular solid or powdered so-called "platinum black" for the HER catalyst. As an alternative or in addition, Pt/RuCh can be contained in said catalyst material.

In einer Ausgestaltung umfasst das zweite Katalysatormaterial Iridium ( Ir ) , insbesondere als festes bzw . pulverförmiges , sogenanntes „Iridium Black" . Gemäß dieser Ausgestaltung wird darüber ein besonders ef fi zienter OER-Katalysator für die Membrananordnung bereitgestellt . Alternativ oder zusätzlich kann das Katalysatormaterial IrOOH, IrCh , Ir/TiCh , IrOOH/TiCh , IrOx/TiCh , Ir/SnCh , IrOx/SnCh bzw . entsprechende Materialsysteme enthalten . In one embodiment, the second catalyst material comprises iridium (Ir), in particular as a solid or powdered form, so-called "iridium black". According to this embodiment, a particularly efficient OER catalyst is provided for the membrane arrangement. Alternatively or additionally, the catalyst material can contain IrOOH, IrCh, Ir/TiCh, IrOOH/TiCh, IrOx/TiCh, Ir/SnCh, IrOx/SnCh or corresponding material systems.

In einer Ausgestaltung ist lonomerplastisol für die „Katalysatoren" als Ausgangsmaterial artgleich oder ähnlich zu einem entsprechenden Material oder Plastisol für das Membransubstrat . Gemäß dieser Ausgestaltung wird die Anbindung der Katalysatorschichten an das Membransubstrat vereinfacht . In one embodiment, ionomer plastisol for the "catalysts" as starting material is of the same type or similar to a corresponding material or plastisol for the membrane substrate. According to this embodiment, the connection of the catalyst layers to the membrane substrate is simplified.

In einer Ausgestaltung ist das Trägersubstrat of fenporig (nicht notwendigerweise mikroporös ) bzw . wird elektrisch leitfähig hergestellt . In one embodiment, the carrier substrate is open-pored (not necessarily microporous) or is made electrically conductive.

In einer Ausgestaltung umfasst das Trägersubstrat Kohlenstof f oder ein Kohlenstof fvließ . Alternativ dazu kann ein engmaschiges Metallgewebe oder entsprechendes metallisches Gelege verwendet werden . In one embodiment, the carrier substrate comprises carbon or a carbon fleece. Alternatively, a close-meshed metal fabric or corresponding metallic fabric can be used.

In einer Ausgestaltung wird das Trocknen bzw . Aushärten des lonomerplastisols bei einer Temperatur von ca . 80 ° C, insbesondere mittels Umlufttrocknung, durchgeführt . Dies unterstützt eine zweckmäßige Aushärtung und verhindert gleichzeitig thermische Degradierung des Aufbaus . In one embodiment, the drying or curing of the ionomer plastisol is carried out at a temperature of approximately 80 °C, in particular by means of circulating air drying. This supports effective curing and at the same time prevents thermal degradation of the structure.

In einer Ausgestaltung wird ein weiterer Trocknungs- oder Auswertungsschritt des lonomerplastisols bei einer Temperatur zwischen 140 und 160 ° C, insbesondere mittels Infrarottrocknung, durchgeführt wird . Angepasst auf die Materialeigenschaften ermöglicht diese Ausgestaltung ebenfalls eine zweckmäßige Trocknung des Plastisols und verhindert einen all zu hohen Temperatureintrag in den Schichtaufbau . In one embodiment, a further drying or evaluation step of the ionomer plastisol is carried out at a temperature between 140 and 160 ° C, in particular by means of infrared drying. Adapted to the material properties, this design also enables the plastisol to be dried effectively and prevents excessively high temperatures from entering the layer structure.

In einer Ausgestaltung wird nach dem ersten Trocknen des lo- nomerplastisols ein weiterer direkter lonomerauf trag mit separater ( erneuter ) Trocknung, insbesondere für 15 bis 40 s bei mindestens 140 ° C, und/oder eine Behandlung mit siedendem Wasser durchgeführt wird . Insbesondere die Verwendung siedenden Wassers kann sich vorteilhaft auf die Stabilität der Membran, die ( ionische ) Anbindung des Katalysators über die lonomerverteilung und/oder durch eine insgesamt günstigere Membran- oder Elektrodenmorphologie auswirken, welche die Performance verbessert . In one embodiment, after the first drying of the ionomer plastisol, a further direct application of ionomer with separate (re)drying, in particular for 15 to 40 s at at least 140 °C, and/or a treatment with boiling water is carried out. In particular, the use of boiling water can have an advantageous effect on the stability of the membrane, the (ionic) binding of the catalyst via the ionomer distribution and/or through an overall more favorable membrane or electrode morphology, which improves the performance.

In einer Ausgestaltung wird die Schichtenfolge nach dem Aushärten des zweiten Katalysatormaterials erneut thermisch bei ca . 140 bis 160 ° C, insbesondere für 5 bis 15 min, nachbehandelt . Vorzugsweise werden die j eweiligen Pasten bzw . Plast- isole durch eine Vakuumbehandlung zuvor entgast , beispielsweise bei Unterdrücken zwischen 10 und 100 mbar . In one embodiment, after the second catalyst material has hardened, the layer sequence is again thermally treated at approximately 140 to 160 °C, in particular for 5 to 15 minutes. Preferably, the respective pastes or plastisols are degassed beforehand by means of a vacuum treatment, for example at negative pressures between 10 and 100 mbar.

In einer Ausgestaltung werden die beschriebenen Schritte des direkten Auftragens auf das Trägersubstrat ( j eweils ) mittels eines Rakelauftrags einer entsprechenden Paste und ggf . einer Vakuumplatte durchgeführt , wobei die Vakuumsplatte eingerichtet ist , dass Trägersubstrat zu halten . In one embodiment, the described steps of direct application to the carrier substrate (in each case) are carried out by means of a doctor blade application of a corresponding paste and, if necessary, a vacuum plate, wherein the vacuum plate is designed to hold the carrier substrate.

In einer Ausgestaltung werden die beschriebenen Schritte des direkten Auftragens auf das Trägersubstrat ( j eweils ) mittels eines Rolle- zu-Rolle-Auf trags einer entsprechenden Plastisol- Paste durchgeführt . Insbesondere kann ein entsprechender Ofen für eine Wärmebehandlung bzw . das Trocknen und/oder Aushärten verwendet werden . In einer Ausgestaltung werden die Schritte des direkten Auftragens auf das Trägersubstrat über eine Schlitzdüse durchgeführt . In one embodiment, the described steps of direct application to the carrier substrate (in each case) are carried out by means of a roll-to-roll application of a corresponding plastisol paste. In particular, a corresponding oven can be used for heat treatment or drying and/or curing. In one embodiment, the steps of direct application to the carrier substrate are carried out via a slot nozzle.

In einer Ausgestaltung werden die Schritte des direkten Auftragens einer entsprechenden Paste auf das Trägersubstrat über eine Auftragswal ze durchgeführt . In one embodiment, the steps of directly applying a corresponding paste to the carrier substrate are carried out via an application roller.

Über die genannten Verfahren (Rolle zu Rolle ) sowie über die Verwendung eines Rakelauftrags kann besonders vorteilhaft eine einfache , robuste und groß flächige Beschichtung gewährleistet werden . The above-mentioned processes (roll to roll) and the use of a doctor blade application are particularly advantageous for ensuring a simple, robust and large-area coating.

Für die endgültige Herstellung einer fertigen Elektrolysezelle , wie sie auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist , bedarf es zweckmäßigerweise noch der Bereitstellung einer Gasdi f fusionsschicht an der Anode . Dies gelingt j edoch weiterhin zweckmäßig über Verpressung einer entsprechenden Schicht , beispielsweise umfassend ein Streckmetall aus Titan oder ein Refraktärmetall bei gewissem Druck ( z . B . 6 MPa ) im Zuge der Endmontage der Zelle mit entsprechenden Kontaktplatten . For the final production of a finished electrolysis cell, as is also the subject of the present invention, it is expedient to provide a gas diffusion layer on the anode. However, this can still be achieved expediently by pressing a corresponding layer, for example comprising an expanded metal made of titanium or a refractory metal at a certain pressure (e.g. 6 MPa) during the final assembly of the cell with corresponding contact plates.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betri f ft eine Membranelektrodenanordnung, insbesondere eine PEM-Membran- elektrodenanordnung mit einer Gasdi f fusionsschicht als Trägersubstrat und einer katalysatorbeschichteten Membran ( CCM) , wobei die Membranelektrodenanordnung gemäß dem beschriebenen Verfahren hergestellt oder herstellbar ist , und wobei eine Membrandicke lediglich zwischen 5 und 50 pm beträgt . Wie oben beschrieben, bewirkt das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise die Herstellung solch dünner Membranschichten und damit die entsprechenden Ef fi zienzgewinne der Zelle . A further aspect of the present invention relates to a membrane electrode arrangement, in particular a PEM membrane electrode arrangement with a gas diffusion layer as a carrier substrate and a catalyst-coated membrane (CCM), wherein the membrane electrode arrangement is manufactured or can be manufactured according to the described method, and wherein a membrane thickness is only between 5 and 50 pm. As described above, the method according to the invention advantageously brings about the production of such thin membrane layers and thus the corresponding efficiency gains of the cell.

Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betri f ft eine Elektrolysezelle , umfassend die beschriebene ( PEM- ) Membranelektrodenanordnung . Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betri f ft einen Zellenstapel und/oder einen Elektrolyseur, umfassend eine Mehrzahl von, insbesondere elektrisch in Reihe geschalteten, Elektrolysezellen, wie oben beschrieben . Yet another aspect of the present invention relates to an electrolysis cell comprising the described (PEM) membrane electrode assembly. A further aspect of the present invention relates to a cell stack and/or an electrolyzer comprising a plurality of electrolysis cells, in particular electrically connected in series, as described above.

Die Vorzüge der vorliegenden Erfindung mani festieren sich also nicht nur an der kleinen oder minimalen Produkteinheit , wie der Membran oder der Membranelektrodenanordnung, sondern - signi fikant durch den Skalenef fekt - auch an der Elektrolysezelle und einem entsprechend die Elektrolysezelle aufweisenden Zellenstapel , Elektrolyseur oder Elektrolysesystem, welcher/welches weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung betri f ft . The advantages of the present invention are therefore not only manifested in the small or minimal product unit, such as the membrane or the membrane electrode arrangement, but - significantly due to the scale effect - also in the electrolysis cell and a cell stack, electrolyzer or electrolysis system comprising the electrolysis cell, which concerns further aspects of the present invention.

Insbesondere betri f ft die vorliegende Erfindung dahingehend PEM-Elektrolyseure und weiterhin ganze Elektrolyse- oder „Power-to-X" -Kraf twerke mit dem vorliegend beschriebenen Elektrolysesystem . In particular, the present invention relates to PEM electrolyzers and furthermore to entire electrolysis or "Power-to-X" power plants with the electrolysis system described here.

Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile , die sich vorliegend auf das Verfahren beziehen, betref fen also ferner das hergestellte Produkt selbst bzw . die Membrananordnung ebenso wie die Elektrolysezelle , den Zellenstapel , oder das Elektrolysesystem, und umgekehrt . Embodiments, features and/or advantages which relate to the method in the present case also relate to the manufactured product itself or the membrane arrangement as well as the electrolysis cell, the cell stack or the electrolysis system, and vice versa.

Der hier verwendete Ausdruck „und/oder" oder „bzw . " , wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet , dass j edes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann j ede Kombination von zwei oder mehr der auf geführten Elemente verwendet werden . As used herein, the term "and/or" or "respectively," when used in a series of two or more elements, means that any of the elements listed may be used alone, or any combination of two or more of the elements listed may be used.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben . Further details of the invention are described below with reference to the figures.

Figur 1 deutet anhand einer schematischen Ski z ze die Funktionsweise einer Wasser-insbesondere PEM-Elektrolysezelle samt einer Membranelektrodenanordnung (MEA) an . Figur 2 deutet anhand eines schematischen Flussdiagramms erfindungsgemäße Verfahrensschritte im Allgemeinen an . Figure 1 shows a schematic diagram of the functioning of a water electrolysis cell, particularly a PEM electrolysis cell, including a membrane electrode assembly (MEA). Figure 2 generally indicates method steps according to the invention using a schematic flow diagram.

Figur 3 anhand einer vereinfachten schematischen Ansicht eine erfindungsgemäß hergestellte viel fach Schicht (Membranelektrodenanordnung) an . Figure 3 shows a simplified schematic view of a multiple layer (membrane electrode arrangement) produced according to the invention.

Die Figuren 4 und 5 deuten j eweils weiterhin erfindungsgemäße besondere Verfahrensschritte des vorgestellten Verfahrens an . Figures 4 and 5 each indicate further particular method steps according to the invention of the method presented.

Die Figuren 6 und 7 deuten im Kontext des erfindungsgemäßen Verfahrens weitere Einzelheiten zum Schichtenauftrag an . Figures 6 and 7 indicate further details of the layer application in the context of the method according to the invention.

In den Aus führungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleichwirkende Elemente j eweils mit den gleichen Bezugs zeichen versehen sein . Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente , zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein . In the embodiments and figures, identical or equivalent elements can be provided with the same reference symbols. The elements shown and their relative sizes to one another are generally not to be regarded as being to scale; rather, individual elements can be shown to be exaggeratedly thick or large for better representation and/or understanding.

Figur 1 zeigt eine Elektrolysezelle 30 , insbesondere eine PEM-Elektrolysezelle für die Wasserelektrolyse . Der Kern einer solchen Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolysezelle 30 ist in der Regel durch eine Membranelektrodenanordnung 20 (MEA) gebildet , welche in der Mitte angedeutet ist . Die MEA 20 weist eine mit Katalysatoren beschichtete Membran 3 auf . Ein erstes Katalysatormaterial ist mit dem Bezugs zeichen 2 gekennzeichnet . Hingegen ist ein zweites , von dem ersten Katalysatormaterial verschiedenes , Katalysatormaterial mit dem Bezugs zeichen 4 eingezeichnet . Die Membran 3 wird dazu üblicherweise sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig an zwei voneinander abgewandten Oberflächen mit einer Schicht aus einem j eweiligen Katalysatormaterial beschichtet . Im Bereich der durch das j eweilige Katalysatormaterial gebildeten Schicht , läuft die j eweilige Zellreaktion der Elektrolyse ab . Dabei werden während des bestimmungsgemäßen Betriebs Elektro- nen über das j eweilige Katalysatormaterial und eine Trägerstruktur, die durch die Gasdi f fusionsschicht (vgl . Bezugszeichen 1 weiter unten) gebildet sein oder diese bereitstellen kann, zu den Kontakt- oder Bipolarplatten 32 abgeleitet . Aus diesem Grund ist auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit der Katalysatorschichten gewünscht . Figure 1 shows an electrolysis cell 30, in particular a PEM electrolysis cell for water electrolysis. The core of such a polymer electrolyte membrane electrolysis cell 30 is usually formed by a membrane electrode arrangement 20 (MEA), which is indicated in the middle. The MEA 20 has a membrane 3 coated with catalysts. A first catalyst material is identified by the reference symbol 2. In contrast, a second catalyst material, different from the first catalyst material, is shown with the reference symbol 4. For this purpose, the membrane 3 is usually coated with a layer of a respective catalyst material on both the anode side and the cathode side on two surfaces facing away from one another. The respective cell reaction of the electrolysis takes place in the area of the layer formed by the respective catalyst material. During normal operation, electro- The electrical energy is transferred to the contact or bipolar plates 32 via the respective catalyst material and a carrier structure, which can be formed by the gas diffusion layer (see reference numeral 1 below) or can provide this. For this reason, a high electrical conductivity of the catalyst layers is also desired.

Es ist weiterhin erkennbar, dass Edukt-Wasser (H2O) gemeinhin anodenseitig bereitgestellt wird, welches im Wege des Elektrolyseprozesses in Sauerstof f ( O2 ) an der Anode und Wasserstof f (H2 ) an der Kathode freigesetzt und gewonnen werden kann . It is also evident that reactant water (H2O) is commonly provided on the anode side, which can be released and recovered by the electrolysis process into oxygen (O2) at the anode and hydrogen (H2) at the cathode.

Die Membran 3 bzw . ein Ausgangsmaterial , welches üblicherweise für die Beschichtung der Membran 1 mit dem „Katalysator" zu beschichten ist , enthält üblicherweise ein Perfluorsul fonsäure-Material ( PFSA) , Polymer oder Ionomer 2 . Bei diesem Material kann es sich auch um ein festes bzw . pulverförmiges , vorzugsweise nicht gelöstes sul foniertes Fluorpolymer oder ein perf loriertes Copolymer mit einer Sul fongruppe handeln . The membrane 3 or a starting material which is usually to be coated for coating the membrane 1 with the "catalyst" usually contains a perfluorosulfonic acid material (PFSA), polymer or ionomer 2. This material can also be a solid or powdery, preferably undissolved sulfonated fluoropolymer or a perfluorinated copolymer with a sulfone group.

Das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren wird anhand der Figur 2 und der fort folgenden Figuren näher erläutert . Die Figur 2 deutet lediglich anhand eines schematischen Flussdiagramms erfindungsgemäße Verfahrensschritte an . Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Prozess zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung 20 für eine Elektrolysezelle 30 mittels direkter Membranabscheidung . Ohne Beschränkung der Allgemeinheit ist das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung einer anderen elektrochemische Zelle , wie beispielsweise von Brennstof f zellen geeignet . The coating method according to the invention is explained in more detail with reference to Figure 2 and the following figures. Figure 2 merely indicates method steps according to the invention using a schematic flow diagram. The method according to the invention is a process for producing a membrane electrode arrangement 20 for an electrolysis cell 30 by means of direct membrane deposition. Without limiting the generality, the method according to the invention is also suitable for producing another electrochemical cell, such as fuel cells.

Das Verfahren umfasst in Schritt i ) das Bereitstellen eines Trägersubstrates 1 , insbesondere einer Gasdi f fusionsschicht , für die Elektrolysezelle 30 . Im Falle einer weiter unten beschriebenen Rolle- zu-Rolle-Beschichtung (vgl . Figuren 6 und 7 ) kann insbesondere ein kontinuierliches , poröses Trägersub- strat verwendet werden. Auf das Trägersubstrat 1 wird dann beispielsweise eine mikroporöse HER-Katalysatorschicht mittels Rakel, „reverse roll-" oder „slot die"-Applikation aufgetragen. Als Substrat 1 kann beispielsweise eine Kohlen- stoff-GDL („Gas Diffusion Layer" z.B. Freudenberg H23C8) oder ein Kohlenstoffvlies bzw. ein engmaschiges Metallgewebe oder Gelege verwendet werden. Das Trägersubstrat 1 muss elektrisch leitfähig sein. Vorzugsweise sollte die GDL möglichst offenporig sein, eine Mikroporosität (MPL: microporous layer) ist aber nicht zwingend erforderlich, da zunächst eine HER- Katalysatorschicht auf getragen wird, die mikroporös ist. Die GDL muss jedenfalls einen ausreichenden Wasser- und Gastransport ermöglichen. The method comprises in step i) the provision of a carrier substrate 1, in particular a gas diffusion layer, for the electrolysis cell 30. In the case of a roll-to-roll coating described below (cf. Figures 6 and 7), in particular a continuous, porous carrier substrate strat can be used. A microporous HER catalyst layer is then applied to the carrier substrate 1 using a doctor blade, "reverse roll" or "slot die" application. A carbon GDL ("Gas Diffusion Layer" e.g. Freudenberg H23C8) or a carbon fleece or a close-meshed metal fabric or scrim can be used as the substrate 1. The carrier substrate 1 must be electrically conductive. The GDL should preferably be as open-pored as possible, but microporosity (MPL: microporous layer) is not absolutely necessary, since a HER catalyst layer is applied first, which is microporous. In any case, the GDL must enable sufficient water and gas transport.

Das Verfahren umfasst in Schritt ii) das direkte Aufträgen des insbesondere pastösen ersten Katalysatormaterials 2 auf das Trägersubstrat 1. The method comprises in step ii) the direct application of the in particular pasty first catalyst material 2 to the carrier substrate 1.

Das Verfahren umfasst in Schritt iii) das Trocknen bzw. Aushärten des ersten Katalysatormaterials 2. The method comprises in step iii) drying or curing the first catalyst material 2.

Das Verfahren umfasst in Schritt iv) das direkte Aufträgen bzw. Abscheiden eines lonomerplastisols 3 für die Membran der Elektrolysezelle 30. The method comprises in step iv) the direct application or deposition of an ionomer plastisol 3 for the membrane of the electrolysis cell 30.

Das Verfahren umfasst in Schritt v) weiterhin das Trocknen bzw. Aushärten des lonomerplastisols 3. The process further comprises in step v) the drying or curing of the ionomer plastisol 3.

Das Verfahren umfasst in Schritt vi) das direkte Aufträgen eines zweiten pastösen Katalysatormaterials 4 auf das lono- merplastisol 3, und in Schritt vii) das Trocknen bzw. Aushärten des zweiten Katalysatormaterials 4. The method comprises in step vi) the direct application of a second pasty catalyst material 4 onto the ionomer plastisol 3, and in step vii) the drying or curing of the second catalyst material 4.

Die Figur 3 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Schichtenfolge als Teil der erfindungsgemäßen Membranelektrodenanordnung 20. Unten zeigt die Darstellung das genannte Trägersubstrat, vorzugsweise die kathodische Gasdiffusionsschicht 1. Statt an der Kathode der Zelle kann die Beschich- tung der folgenden Schichten prinzipiell auch an Anode erfolgen, d . h . , dass als Trägersubstrat 1 eine anodische Gasdi ffusionsschicht verwendet wird . Dies Ausgestaltung ist aber in der Praxis etwas ungünstiger, da aufgrund der chemischen Anforderungen dann Refraktärmetalls , vorzugsweise Titan, Niob oder Tantal als Faservlies o . ä . auf zubringen sind, was technisch schwieriger ist , als wenn ein entsprechendes Kohlen- stof fmaterial an der Kathode die Basis bildet . Figure 3 shows a schematic view of a layer sequence as part of the membrane electrode arrangement 20 according to the invention. At the bottom, the illustration shows the carrier substrate mentioned, preferably the cathodic gas diffusion layer 1. Instead of at the cathode of the cell, the coating can be The application of the following layers can in principle also take place on the anode, i.e. an anodic gas diffusion layer is used as the carrier substrate 1. However, this design is somewhat less favourable in practice, since due to the chemical requirements, refractory metal, preferably titanium, niobium or tantalum, must then be applied as a fibre fleece or similar, which is technically more difficult than if a corresponding carbon material forms the basis on the cathode.

Direkt auf dem GDL-Trägersubstrat 1 wird dann wie beschrieben das erste Katalysatormaterial 2 in Form einer Paste (vgl . Bezugs zeichen 6 weiter unten) abgeschieden . Direkt darauf wird dann durch das genannte Verfahren die lonomermembran 3 - ebenfalls in Form einer Paste 6 - aufgetragen . Gleiches gilt für das zweite (pastöse ) Katalysatormaterial 4 , welches auf die Schicht für die lonomermembran 3 folgt . Die fertig hergestellte Membran 3 kann durch das vorliegend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise mit Schichtdicken zwischen 5 und 50 pm, vorzugsweise deutlich unterhalb von 50 pm, wie beispielsweise 40 pm , 30 pm, 20 pm oder sogar 10 pm hergestellt werden . Dadurch ergeben sich, wie oben beschrieben, vorteilhaft niedrige Kontaktwiderstände an der Membran, welche die elektrochemische Ef fi zienz der Zelle 30 im Gegensatz zu bekannten Lösungen deutlich verbessern . The first catalyst material 2 is then deposited directly on the GDL carrier substrate 1 in the form of a paste (see reference numeral 6 below), as described. The ionomer membrane 3 - also in the form of a paste 6 - is then applied directly on top of this using the method mentioned. The same applies to the second (pasty) catalyst material 4, which follows the layer for the ionomer membrane 3. The finished membrane 3 can advantageously be produced using the method according to the invention described here with layer thicknesses between 5 and 50 pm, preferably significantly below 50 pm, such as 40 pm, 30 pm, 20 pm or even 10 pm. This results in advantageously low contact resistances on the membrane, as described above, which significantly improve the electrochemical efficiency of the cell 30 in contrast to known solutions.

Die Katalysatorschichtdicken können im fertigen Zustand der Zelle 30 beispielsweise j eweils zwischen 5 und 20 pm betragen . Das erste Katalysatormaterial 2 umfasst vorzugsweise Platin, insbesondere festes bzw . pulverförmiges sogenanntes „Platinum Black" für den HER-Katalysator . Als Alternative dazu oder zusätzlich kann Pt/RuCb in besagtem Katalysatormaterial enthalten sein . Das zweite Katalysatormaterial 4 umfasst vorzugsweise Iridium ( Ir ) , insbesondere als festes bzw . pulverförmiges , sogenanntes „Iridium Black" . Alternativ oder zusätzlich kann das Katalysatormaterial IrOOH, IrC>2 , Ir/TiCp , IrOOH/TiCp , IrOx/TiCp , Ir/SnCp , IrOx/SnCp bzw . entsprechende Materialsysteme enthalten . Die Katalysatorpasten 2 und 4 sollten weiterhin vorzugsweise einen Feststof f gehalt von 15 bis 50 Gew . -% aufweisen . Der lo- nomeranteil sollte bei Katalysatorpasten idealerweise zwischen 5 und 15 Gew . -% liegen . Die Viskosität der Paste sollte weiterhin zwischen 500 und 2500 mPas betragen . The catalyst layer thicknesses in the finished state of the cell 30 can, for example, be between 5 and 20 pm each. The first catalyst material 2 preferably comprises platinum, in particular solid or powdered so-called "platinum black" for the HER catalyst. As an alternative to this or in addition, Pt/RuCb can be contained in said catalyst material. The second catalyst material 4 preferably comprises iridium (Ir), in particular as solid or powdered so-called "iridium black". Alternatively or in addition, the catalyst material can contain IrOOH, IrC>2, Ir/TiCp, IrOOH/TiCp, IrOx/TiCp, Ir/SnCp, IrOx/SnCp or corresponding material systems. Catalyst pastes 2 and 4 should preferably have a solids content of 15 to 50 wt. %. The ionomer content of catalyst pastes should ideally be between 5 and 15 wt. %. The viscosity of the paste should also be between 500 and 2500 mPas.

Vorteilhafterweise soll eine Katalysatorpaste bereitgestellt werden, die eine ef fi ziente Umhüllung der Katalysatorpartikel mit Ionomer bzw . PFSA und eine stabile Paste für Applikationen im industriellen Maßstab ermöglichen, insbesondere aber keine oder kaum Entmischung bzw . Sedimentation zeigen . Dies hat sich mit den vorliegend beschriebenen Maßgaben als erfolgreich herausgestellt . Advantageously, a catalyst paste should be provided which enables efficient coating of the catalyst particles with ionomer or PFSA and a stable paste for applications on an industrial scale, but in particular shows little or no demixing or sedimentation. This has proven to be successful with the conditions described here.

Wie im Folgenden noch näher erläutert werden wird, sollte eine allgemein ( schicht- oder auftragsunabhängig) mit dem Bezugs zeichen 6 bezeichnete Paste oder ein entsprechendes Plastisol idealerweise in einem Temperaturbereich zwischen 20 und 60 ° C aufgetragen werden . As will be explained in more detail below, a paste generally designated with the reference symbol 6 (regardless of the layer or application) or a corresponding plastisol should ideally be applied in a temperature range between 20 and 60 °C.

Anhand der Figuren 4 und 5 werden nun zusätzliche Details des erfindungsgemäßen Verfahrens in zwei verschiedenen Aus führungs formen erläutert . With reference to Figures 4 and 5, additional details of the method according to the invention in two different embodiments are now explained.

Die Figur 4 zeigt eine erste Aus führungs form, gemäß der durch die Rollen 16 bereits das Rolle- zu-Rolle-Verf ahren für hohe Schichtdurchsätze angedeutet ist (vgl . auch Figuren 6 und 7 weiter unten) . Im Wege dieser Verfahrenstechnik wird erfindungsgemäß dann auch das genannte Trägersubstrat 1 in Schritt i ) bereitgestellt . Figure 4 shows a first embodiment, according to which the roll-to-roll process for high layer throughputs is already indicated by the rollers 16 (see also Figures 6 and 7 below). By means of this process technology, the carrier substrate 1 mentioned is then also provided in step i) according to the invention.

Nach dem Auftrag des HER-Katalysators 2 in Schritt ii ) und iii ) erfolgt der Auftrag für die Membranlage 3 ( in Figur 4 nicht im Detail gekennzeichnet ) in Schritt iv) . Für die Membran 3 wird am besten ein Plastisol mit einem Polymergehalt von 10 bis 30 Gew . -% verwendet . Es erfolgt anschließend eine Antrocknung der Schicht bei 80 ° C, idealerweise in einem Um- luf ttrockner . Danach erfolgt die Abscheidung der reinen lono- merschicht (Dielektrikum) durch lonomerplastisol-Auf trag beispielsweise mittels zuvor genannter Auf tragstechnik . Es erfolgt ein weiterer Trocknungsschritt bei 140 bis 160 °C, vorzugsweise in einem Infrarot-Trocknungsgerät, z.B. für eine Dauer von 15 bis 40 s. In diesem Schritt v) kann gleichzeitig oder nachfolgend ein weiterer lonomerauf trag mit erneuter Trocknung für 15 bis 40 s bei 140°C und eine Behandlung mit siedendem Wasser (vgl. H2O bei 100°C) erfolgen. After the application of the HER catalyst 2 in steps ii) and iii), the membrane layer 3 (not shown in detail in Figure 4) is applied in step iv). For the membrane 3, a plastisol with a polymer content of 10 to 30 wt.% is best used. The layer is then dried at 80 °C, ideally in a circulating air dryer. The pure iono- mer layer (dielectric) by applying ionomer plastisol, for example using the application technique mentioned above. A further drying step takes place at 140 to 160 °C, preferably in an infrared drying device, e.g. for a period of 15 to 40 s. In this step v), a further ionomer application can be carried out simultaneously or subsequently with renewed drying for 15 to 40 s at 140°C and treatment with boiling water (cf. H2O at 100°C).

Schließlich erfolgt erfindungsgemäß die Beschichtung mittels OER-Katalysator 4 und eine erneute Trocknung bei etwa 80°C (vgl. Schritte vi) und vii) ) . Finally, according to the invention, the coating is carried out using OER catalyst 4 and a renewed drying at about 80°C (cf. steps vi) and vii) ).

Es wird nicht ausgeschlossen, dass der so hergestellte Multischichtaufbau (vgl. „Sandwich"-Struktur , wie in Figur 3 gezeigt) nachträglich weiteren mechanischen und/oder thermischen Behandlungen unterzogen wird. Das Sandwich 20 könnte vorzugsweise möglichst in einem „Curing"-Schritt bei 140 bis 160°C für 5 bis 15 min nachbehandelt werden. Vorzugsweise werden die jeweiligen Pasten oder Plastisole 6 weiterhin beispielsweise durch eine Vakuumbehandlung bei einem Unterdrück von 10 bis 100 mbar zuvor entgast. Bei besonders großen Pastenansätzen oder Aufträgen kann auch ein Vakuumdispergierer (z.B. CDS 3000) vorteilhaft sein. It is not ruled out that the multilayer structure produced in this way (cf. "sandwich" structure, as shown in Figure 3) is subsequently subjected to further mechanical and/or thermal treatments. The sandwich 20 could preferably be post-treated in a "curing" step at 140 to 160°C for 5 to 15 minutes. Preferably, the respective pastes or plastisols 6 are further degassed beforehand, for example by a vacuum treatment at a negative pressure of 10 to 100 mbar. For particularly large paste batches or applications, a vacuum disperser (e.g. CDS 3000) can also be advantageous.

Im Unterschied zur Figur 4 zeigt Figur 5 erfindungsgemäß keine Anwendung von siedendem Wasser im Wege der Membranabscheidung. Stattdessen ist ein durch den Pfeil angedeuteter zweiter lonomerauf trag explizit gekennzeichnet. In contrast to Figure 4, Figure 5 does not show the use of boiling water by way of membrane separation according to the invention. Instead, a second ionomer application indicated by the arrow is explicitly marked.

Für das Abscheiden der jeweiligen Plastisol-Schichten 6 können vorliegend folgende Ansätze bzw. Parameter angewendet werden : For the deposition of the respective plastisol layers 6, the following approaches or parameters can be used:

Die Paste für den ersten Katalysator (HER) 2 kann beispielsweise 10 g eines PFSA-Plastisols in mindestens 14 Gew.-%-igen Anteilen in einem Lösungsmittel, wie 2-Pyrrolidon, und insbe- sondere 10 g Pt-black-Katalysator , und 35g zusätzliches 2- Pyrrolidon umfassen . The paste for the first catalyst (HER) 2 may, for example, comprise 10 g of a PFSA plastisol in at least 14 wt.% proportions in a solvent such as 2-pyrrolidone, and in particular sondere 10 g Pt-black catalyst, and 35g additional 2-pyrrolidone.

Die Paste für den zweiten Katalysator ( OER) 4 kann beispielsweise 13 g eines PFSA-Plastisols ( Pemion) in mindestens 14 Gew . -%-igen Anteilen in einem Lösungsmittel , wie 2- Pyrrolidon, und insbesondere 13 g Ir-black-Partikel , und 35g zusätzliches 2-Pyrrolidon umfassen . The paste for the second catalyst (OER) 4 may, for example, comprise 13 g of a PFSA plastisol (Pemion) in at least 14 wt. % proportions in a solvent such as 2-pyrrolidone, and in particular 13 g of Ir-black particles, and 35 g of additional 2-pyrrolidone.

Für die Membran drei kann beispielsweise ein PFSA oder per- fluoriertes Copolymer, wie Nafion von Chemours , insbesondere 20 Gew-%-ig in Wasser bzw . sprühgetrocknetes Pulver gelöst in 30 g 2-Pyrrolidon zum Einsatz kommen . For membrane three, for example, a PFSA or perfluorinated copolymer such as Nafion from Chemours, in particular 20 wt.% in water or spray-dried powder dissolved in 30 g of 2-pyrrolidone, can be used.

Als Lösungsmittel können grundsätzlich N-methyl-2-Pyrrolidon, Dimethylsul foxid, Gammabutyrolacton, Dimethyl formamid, oder Diethyl formamide verwendet werden . In principle, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, gamma-butyrolactone, dimethyl formamide, or diethyl formamide can be used as solvents.

Alternative lonomere können grundsätzlich 3M EW 825 , Aquivion EW 870 , Aquivion EW 980 , Aquivion EW 720 verwendet werden . Alternative ionomers such as 3M EW 825, Aquivion EW 870, Aquivion EW 980 and Aquivion EW 720 can be used.

Alternativ kann die Membranlage 3 durch Extrusion im Schmel zfluss aufgebracht werden . Alternatively, the membrane layer 3 can be applied by extrusion in melt flow.

Die technische Realisierung der innovativen Multilagenapplikation kann mittels standardisierter Auf tragstechnik über z . B . Schlitzdüsen- , Rakel- oder Wal zenauftragswerke realisiert werden wie anhand der Figuren 6 und 7 schematisch erläutert wird . Die Dimension (Beschichtungsbreite ) unterliegt im Prinzip keiner Limitierung, sodass die Skalierbarkeit der Elektrolysezellen nicht durch den Prozess eingeschränkt wird . The technical implementation of the innovative multi-layer application can be achieved using standardized application technology, e.g. using slot nozzle, doctor blade or roller applicators, as is schematically explained in Figures 6 and 7. The dimension (coating width) is in principle not subject to any limitation, so that the scalability of the electrolysis cells is not restricted by the process.

Die Figur 6 zeigt einen Teil einer schematischen Seiten- oder Schnittansicht einer Auftragsvorrichtung 10 , welche sich des allgemeinen Rolle- zu-Rolle-Prinzips bedient . Konkret erfolgt der Auftrag der Paste 6 vorzugsweise über sogenannte Breitschlitzdüsen 13 , welche rechts in der Darstellung beispielhaft dargestellt ist . Ein erster Schichtauftrag, wie genauer oben anhand der Figuren 3 und 4 beschrieben, kann über die rechts dargestellte Düse 13 erfolgen, beispielsweise für das erste Katalysatormaterial 2 . Figure 6 shows part of a schematic side or sectional view of an application device 10, which uses the general roll-to-roll principle. Specifically, the application of the paste 6 is preferably carried out via so-called slot nozzles 13, which are shown as an example on the right in the illustration. A first layer application, as more precisely described above with reference to Figures 3 and 4, can be carried out via the nozzle 13 shown on the right, for example for the first catalyst material 2.

Danach kann der Schichtauftrag ( in Figur 6 ebenfalls nicht expli zit dargestellt ) in einem Ofen 15 ge- oder vorgetrocknet oder auch ausgehärtet werden ( siehe oben) . Thereafter, the layer application (also not explicitly shown in Figure 6) can be dried or pre-dried or even cured in an oven 15 (see above).

Eine Mediendosierung bei der Breitschlitzdüsenapplikation der Paste 6 kann beispielsweise über sogenannte Exzenterschneckenpumpen und unter der Maßgabe erfolgen, dass die Anlage 10 eine Abwicklungshaspel mit Bremse , einem Bandzug ( z . B . 50 Nm) , einem beidseitigen Schlitzdüsenbeschichter mit einer Durchlassbreite von ca . 10 cm, einer Substratdicke ca . 90 pm, einer Bandgeschwindigkeit zwischen 0 , 8 und 1 , 2 m/min, einer Auftragsdicke (Nass film) von weniger als 50 pm, in einem Vis- kositätsbereich von 500 bis 1000 mPas , einer „Nassbeladung" von 30 mg/cm2 und unter Trocknung in einem Umlufttrockner ( Trocknungstemperatur beispielsweise 80 bis 100 ° C ) bei einem Feststof f gehalt der verarbeitbaren Paste von 20 bis 50 Gew . -% erfolgt . Die Beschichtung über Schlitzdüsen bietet vorteilhaft die Möglichkeit , die angestrebte Nass filmschichtdicke des Auftrags durch den gemessenen Massenstrom und eine vorbestimmte Substratgeschwindigkeit zu kontrollieren . Media dosing during the wide slot nozzle application of the paste 6 can, for example, be carried out via so-called eccentric screw pumps and under the proviso that the system 10 has an unwinder with brake, a strip tension (e.g. 50 Nm), a double-sided slot nozzle coater with a passage width of approx. 10 cm, a substrate thickness of approx. 90 pm, a belt speed between 0.8 and 1.2 m/min, an application thickness (wet film) of less than 50 pm, in a viscosity range of 500 to 1000 mPas, a "wet load" of 30 mg/cm 2 and with drying in a circulating air dryer (drying temperature, for example, 80 to 100 ° C) with a solids content of the processable paste of 20 to 50 wt . -%. Coating via slot nozzles advantageously offers the possibility of controlling the desired wet film layer thickness of the application by means of the measured mass flow and a predetermined substrate speed.

In der Figur 7 ist eine alternative Ausgestaltung, nämlich diej enige einer Beschichtungsvorrichtung 10 mit Auftragsoder Dosierwal zen 14 gezeigt , über welche die Beschichtung vorteilhafterweise einfach und selbstdosierend bewerkstelligt werden kann . Der Prozess kann ansonsten im Wesentlichen analog zu der Beschreibung der Figuren 3 bis 6 erfolgen . Figure 7 shows an alternative embodiment, namely that of a coating device 10 with application or metering rollers 14, by means of which the coating can advantageously be carried out in a simple and self-metering manner. The process can otherwise be carried out essentially analogously to the description of Figures 3 to 6.

Diese Beschichtungsart ( auch Reverse-Roll-Beschichtung genannt ) ist insbesondere zweckmäßig für die Erzeugung gleichmäßig beschichteter Membranelektrodenanordnungen 20 . Hier kann ebenfalls ein Doppelkammerofen 15 mit räumlichen Abmessungen von deutlich über 1 m verwendet werden, sowie entspre- chende Umluft- oder Schwebetrockner, um den Auftrag möglichst gleichmäßig und groß flächig auf der Membran 1 umzusetzen . This type of coating (also called reverse roll coating) is particularly useful for producing uniformly coated membrane electrode arrangements 20. Here, a double-chamber furnace 15 with spatial dimensions of significantly more than 1 m can also be used, as well as corresponding Suitable circulating air or floating dryers are used to apply the coating as evenly and as widely as possible on the membrane 1 .

Dazu kann beispielsweise ein einfacher Rakelauftrag (nicht expli zit in den Figuren gekennzeichnet ) durchgeführt werden, wobei die Paste 6 mit einer Rakel auf dem beispielsweise durch eine Vakuumplatte ( in den Figuren vorliegend nicht expli zit gekennzeichnet ) gehaltenes und/oder bewegtes Trägersubstrat 1 verteilt und/oder aufgetragen wird . Diese Aus- gestaltung ist insbesondere zweckmäßig für Testlose oder Labormuster in eher kleinerem Maßstab . Mit oder ohne kurze Antrocknungs zeit , kann der mit der Paste 6 beschichtete GDL- Träger 1 beispielsweise in einem Ofen wie oben beschrieben getrocknet werden . For this purpose, for example, a simple doctor blade application (not explicitly marked in the figures) can be carried out, whereby the paste 6 is distributed and/or applied with a doctor blade onto the carrier substrate 1, which is held and/or moved, for example, by a vacuum plate (not explicitly marked in the figures). This design is particularly useful for test batches or laboratory samples on a smaller scale. With or without a short drying time, the GDL carrier 1 coated with the paste 6 can be dried, for example, in an oven as described above.

Claims

Patentansprüche patent claims 1. Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung (20) für eine Elektrolysezelle (30) mittels direkter Membranabscheidung, umfassend die Schritte: 1. A method for producing a membrane electrode assembly (20) for an electrolysis cell (30) by means of direct membrane deposition, comprising the steps: - (i) Bereitstellen eines Trägersubstrates (1) , insbesondere einer Gasdiffusionsschicht, für die Elektrolysezelle (30) ,- (i) providing a carrier substrate (1), in particular a gas diffusion layer, for the electrolysis cell (30), - (ii) direktes Aufträgen eines pastösen ersten Katalysatormaterials (2) auf das Trägersubstrat (1) - (ii) directly applying a pasty first catalyst material (2) to the carrier substrate (1) - (iii) Trocknen bzw. Aushärten des ersten Katalysatormaterials (2) - (iii) drying or curing the first catalyst material (2) - (iv) direktes Aufträgen eines Tonomerplastisols (3) für die Membran der Elektrolysezelle, - (iv) direct application of a tonomer plastisol (3) for the membrane of the electrolysis cell, - (v) Trocknen bzw. Aushärten des Tonomerplastisols (3) ,- (v) drying or curing the toner plastisol (3) , - (vi) direktes Aufträgen eines zweiten pastösen Katalysatormaterials (4) auf das Tonomerplastisol (3) , und - (vi) directly applying a second pasty catalyst material (4) to the toner plastisol (3), and - (vii) Trocknen bzw. Aushärten des zweiten Katalysatormaterials ( 4 ) . - (vii) drying or curing the second catalyst material ( 4 ). 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Trägersubstrat (1) offenporig und elektrisch leitfähig hergestellt wird und Kohlenstoff oder ein Kohlenstoffvlies umfasst. 2. The method according to claim 1, wherein the carrier substrate (1) is produced to be open-pored and electrically conductive and comprises carbon or a carbon fleece. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Trocknen bzw. Aushärten des Tonomerplastisols (3) bei einer Temperatur von ca. 80°C, insbesondere mittels Umlufttrocknung, durchgeführt wird. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein the drying or curing of the toner plastisol (3) is carried out at a temperature of approximately 80°C, in particular by means of circulating air drying. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein weiterer Trocknungsschritt des Tonomerplastisols (3) bei einer Temperatur zwischen 140 und 160°C, insbesondere mittels Infrarottrocknung, durchgeführt wird. 4. Method according to one of the preceding claims, wherein a further drying step of the toner plastisol (3) is carried out at a temperature between 140 and 160°C, in particular by means of infrared drying. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei nach dem ersten Trocknen des Tonomerplastisols (3) ein weiterer direkter lonomerauf trag mit separater Trocknung und eine Behandlung mit siedendem Wasser durchgeführt wird. 5. Process according to one of claims 3 or 4, wherein after the first drying of the toner plastisol (3) a further direct ionomer application with separate drying and a treatment with boiling water is carried out. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichtenfolge nach dem Aushärten des zweiten Katalysatormaterials (4) erneut thermisch bei 140 bis 160°C, insbesondere für 5 bis 15 min, nachbehandelt wird. 6. Method according to one of the preceding claims, wherein the layer sequence is again thermally post-treated at 140 to 160°C, in particular for 5 to 15 minutes, after the curing of the second catalyst material (4). 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schritte des direkten Auftragens auf das Trägersubstrat (1) mittels eines Rakelauftrags einer entsprechenden Paste (6) und ggf. einer Vakuumplatte erfolgt, die eingerichtet ist, das Trägersubstrat (1) zu halten. 7. Method according to one of the preceding claims, wherein the steps of direct application to the carrier substrate (1) are carried out by means of a doctor blade application of a corresponding paste (6) and optionally a vacuum plate which is designed to hold the carrier substrate (1). 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schritte des direkten Auftragens auf das Trägersubstrat (1) mittels eines Rolle-zu-Rolle-Auf trags einer entsprechenden Paste (6) erfolgt, insbesondere unter Verwendung eines Ofens (15) für eine Wärmebehandlung. 8. Method according to one of the preceding claims, wherein the steps of direct application to the carrier substrate (1) are carried out by means of a roll-to-roll application of a corresponding paste (6), in particular using an oven (15) for a heat treatment. 9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Schritte des direkten Auftragens auf das Trägersubstrat (1) über eine Schlitzdüse (13) erfolgt. 9. The method according to claim 8, wherein the steps of direct application to the carrier substrate (1) are carried out via a slot nozzle (13). 10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Schritte des direkten Auftragens einer entsprechenden Paste (6) auf das Trägersubstrat (1) über eine Auftragswalze (14) erfolgt. 10. The method according to claim 8, wherein the steps of directly applying a corresponding paste (6) to the carrier substrate (1) are carried out via an application roller (14). 11. Membranelektrodenanordnung (20) mit einer Gasdiffusionsschicht als Trägersubstrat und einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM) , wobei die Membranelektrodenanordnung (20) gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt oder herstellbar ist, und wobei eine Membrandicke lediglich zwischen 5 und 50 pm beträgt. 11. Membrane electrode assembly (20) with a gas diffusion layer as a carrier substrate and a catalyst-coated membrane (CCM), wherein the membrane electrode assembly (20) is manufactured or can be manufactured according to the method according to one of the preceding claims, and wherein a membrane thickness is only between 5 and 50 pm. 12. Elektrolysezelle (30) , umfassend eine Membranelektrodenanordnung (20) nach Anspruch 11. 12. Electrolysis cell (30) comprising a membrane electrode assembly (20) according to claim 11. 13. Zellenstapel, umfassend eine Mehrzahl von Elektrolysezellen (30) gemäß Anspruch 12. 13. Cell stack comprising a plurality of electrolysis cells (30) according to claim 12.
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