DE10010399A1 - Brennstoffzellenmembran mit Sperrschicht - Google Patents
Brennstoffzellenmembran mit SperrschichtInfo
- Publication number
- DE10010399A1 DE10010399A1 DE10010399A DE10010399A DE10010399A1 DE 10010399 A1 DE10010399 A1 DE 10010399A1 DE 10010399 A DE10010399 A DE 10010399A DE 10010399 A DE10010399 A DE 10010399A DE 10010399 A1 DE10010399 A1 DE 10010399A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- fuel cell
- cell membrane
- middle layer
- protons
- layers
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1067—Polymeric electrolyte materials characterised by their physical properties, e.g. porosity, ionic conductivity or thickness
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0289—Means for holding the electrolyte
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
- H01M8/1023—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having only carbon, e.g. polyarylenes, polystyrenes or polybutadiene-styrenes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
- H01M8/1025—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having only carbon and oxygen, e.g. polyethers, sulfonated polyetheretherketones [S-PEEK], sulfonated polysaccharides, sulfonated celluloses or sulfonated polyesters
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1039—Polymeric electrolyte materials halogenated, e.g. sulfonated polyvinylidene fluorides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1041—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
- H01M8/1046—Mixtures of at least one polymer and at least one additive
- H01M8/1048—Ion-conducting additives, e.g. ion-conducting particles, heteropolyacids, metal phosphate or polybenzimidazole with phosphoric acid
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1058—Polymeric electrolyte materials characterised by a porous support having no ion-conducting properties
- H01M8/1062—Polymeric electrolyte materials characterised by a porous support having no ion-conducting properties characterised by the physical properties of the porous support, e.g. its porosity or thickness
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Bei Direktmethanol-Brennstoffzellen tritt das Problem auf, daß auf der Anodenseite durch die Reduktion des Methanols Kohlenmonoxid als Nebenreaktionsprodukt auftritt. Neben dem Wasserstoff diffundiert auch dieses Kohlenmonoxid durch die Brennstoffzellenmembran durch und behindert an der Kathodenseite die Oxidationsreaktion. Dies führt zu einer Verminderung der Ausbeute an elektrischer Energie und beeinträchtigt damit in negativer Weise die Kosten- und Energiebilanz der Brennstoffzelle. Die Erfindung stellt eine Brennstoffzellenmembran (10) zur Verfügung, die den Durchtritt von Kohlenmonoxid oder anderer unerwünschter Verunreinigungen verhindert. Diese Brennstoffzellenmembran (10) weist zwei äußere, katalytisch aktive Schichten (1, 2) und eine mittlere Schicht (3) auf, die erfindungsgemäß aus einem Material gebildet ist, welches selektiv durchlässig für Protonen ist. Dabei kann die mittlere Schicht enthalten: DOLLAR A - ein Trägermaterial (8), das zum Protonentransport fähig ist und DOLLAR A - ein zweites Material (9), das für Protonen selektiv permeabel und für vorgegebene Ausschlußstoffe impermeabel ist, wobei das zweite Material (9) so im Trägermaterial angeordnet ist, daß die Diffusion von Ausschlußstoffen durch die mittlere Schicht (3) hindurch unterbunden oder zumindest stark vermindert ist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenmembran mit zwei katalytisch
aktiven Schichten und einer mittleren, für Protonen selektiv permeablen Schicht.
In heutigen Brennstoffzellen läuft eine Oxidation von Wasserstoff bei niedriger
Temperatur unter Gewinnung elektrischer Energie an einer Membran ab. Auf der einen
Seite der Membran befindet sich der Wasserstoff, beziehungsweise ein geeigneter,
Wasserstoff enthaltender Brennstoff wie Methanol, auf der anderen Seite der Membran
(Kathodenseite) wird das Oxidationsmittel, z. B. Luft zugeführt. Der Wasserstoff wird in
ein Proton und ein Elektron gespalten. Die solcherart entstandenen Elektronen bauen
ein elektrisches Potential gegenüber der anderen Seite der Membran auf, das zur
Stromerzeugung genutzt wird. Die Protonen treten durch die Membran hindurch und
reagieren mit dem Luftsauerstoff unter Elektronenzufuhr zu Wasser.
Bei sogenannten Direktmethanolzellen befindet sich auf der Wasserstoffseite eine
Methanolquelle, aus der der Wasserstoff während der katalytischen Reaktion
freigesetzt wird. Bei Direktmethanolzellen tritt das Problem auf, daß auf der
Anodenseite durch die Reduktion des Methanols Kohlenmonoxid als
Nebenreaktionsprodukt auftritt. Neben dem Wasserstoff diffundiert auch dieses
Kohlenmonoxid durch die Membran durch und behindert an der Kathodenseite die
Oxidationsreaktion. Dies führt zu einer Verminderung der Ausbeute an elektrischer
Energie und beeinträchtigt damit in negativer Weise die Kosten- und Energiebilanz der
Brennstoffzelle.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine
Brennstoffzellenmembran zur Verfügung zu stellen, die den Durchtritt von
Kohlenmonoxid oder anderer unerwünschter Verunreinigungen verhindert.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Brennstoffzellenmembran gemäß dem
unabhängigen Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der
Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
Die derzeit verwendeten Brennstoffzellenmembranen bestehen aus einer mittleren
Schicht, beispielsweise aus einem Polymer, die zum Protonentransport fähig ist, sowie
aus zwei auf beiden Seiten der mittleren Schicht angeordneten katalytisch aktiven
Schichten. Die mittlere Schicht ist auf Grund von physikalischen Limitationen der bisher
verwendeten Werkstoffe nicht in der Lage, als Sperrschicht für Kohlenmonoxid zu
dienen. Der vorliegenden Erfindung liegt daher der Gedanke zu Grunde, den Aufbau
der Brennstoffzellenmembran bezüglich ihrer mittleren Schicht so zu modifizieren, daß
sie aus einem Material besteht oder im Sinne eines Verbundwerkstoffs zusätzlich ein
Material enthält, das in der Lage ist, unerwünschte Stoffe, im folgenden
Ausschlußstoffe genannt, am Durchtritt durch die Membran zu hindern.
Die vorliegende Erfindung ist damit gerichtet auf eine Brennstoffzellenmembran mit
zwei äußeren, katalytisch aktiven Schichten und einer mittleren Schicht, die selektiv
durchlässig für Protonen ist.
Vorzugsweise ist die mittlere Schicht aus einem Verbundwerkstoff gebildet, welcher ein
Trägermaterial, das zum Protonentransport fähig ist, und ein zweites Material enthält,
das für Protonen selektiv permeabel und für vorgegebene Ausschlußstoffe
impermeabel ist, wobei das zweite Material so im Trägermaterial angeordnet ist, daß
die Diffusion von Ausschlußstoffen durch die mittlere Schicht hindurch stark vermindert
oder unterbunden ist. Bezüglich der Ausgestaltung der mittleren Schicht,
beziehungsweise der Anordnung der verschiedenen Materialien in der mittleren
Schicht, sind unterschiedliche Ausführungsformen möglich.
Wie oben ausgeführt, ist besonders der Durchgang von Kohlenmonoxid durch die
Brennstoffzellenmembran bei im Stand der Technik bekannten Brennstoffzellen ein
Problem bezüglich der Ausbeute und Effizienz der Brennstoffzellen. Daher
ist Kohlenmonoxid ein besonders wichtiger Ausschlußstoff. Es ist jedoch vorstellbar,
daß auch ändere Stoffe als Ausschlußstoffe behandelt werden müssen, sofern sich
erweist, daß deren Durchtritt durch die Brennstoffzellenmembran den Prozeß in
nachteiliger Weise beeinträchtigt.
Das in der mittleren Schicht der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmembran
verwendete Trägermaterial ist üblicherweise ein Polymer. Eine Voraussetzung für die
Eigung des Polymers ist, daß dieses zum Protonentransport fähig ist. Es muß in der
Lage sein, die auf der einen Seite der Brennstoffzellenmembran freigesetzten Protonen
durch die Membran hindurchzutransportieren, um sie auf der anderen Seite dem
Oxidationsprozeß zugänglich zu machen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
können viele Materialien verwendet werden, die dem Fachmann einschlägig bekannt
sind. Beispielsweise kann die Polymermembran gebildet sein aus Nafion (TM) der Fa.
DuPont, Polyetherketonen oder anderen protonenleitenden, gasdichten Polymeren.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht den gezielten Ausschluß unerwünschter Stoffe
auf der Kathodenseite der Brennstoffzellenmembran. Die erfindungsgemäßen
Brennstoffzellenmembranen sind einfach herzustellen und verbessern die Effizienz der
Brennstoffzellen maßgeblich.
Im folgenden sollen verschiedene bevorzugte Ausführungsformen vorgestellt und
erläutert werden. Hierbei wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in
denen als Schnittbilder jeweils konkrete Ausführungsformen beispielhaft vorgestellt
werden. Hierbei ist folgendes dargestellt:
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der flache
Partikel in der mittleren Schicht eingelagert sind;
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einer laminierten
mittleren Schicht;
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer
zentral angeordneten Ausschlußschicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die
Brennstoffzellenmembran dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schicht eine Dicke
D hat, ein Trägermaterial aufweist, das für Protonen durchlässig ist und ein zweites
Material aufweist, das für Protonen selektiv permeabel und für vorgegebene
Ausschlußstoffe impermeabel ist, wobei das zweite Material so im Trägermaterial
angeordnet ist, daß Ausschlußstoffe einen Permeationsweg durch die mittlere Schicht
nehmen müssen, der wesentlich länger als D ist, während die Protonen einen
Permeationsweg durch die mittlere Schicht nehmen können, der im wesentlichen
gleich D ist.
Vorzugsweise ist der Weg, den die Ausschlußstoffe durch das Trägermaterial nehmen
müssen, zumindest doppelt so lang wie D; bevorzugt zumindest zehmal so lang wie D,
besonders bevorzugt zumindest 50mal so lang wie D, insbesondere zumindest
einhundertmal länger als D und beipielsweise 50-100mal länger als D.
Durch die spezielle Anordnung des zweiten Materials (quer zur Diffusionrichtung der
Protonen) wird erreicht, daß Ausschlußstoffe nicht auf direktem Wege (also nicht
unmittelbar senkrecht zur Ebene der Membran) die Membran durchdringen können,
sondern einen Umweg nehmen müssen, da sie nicht in der Lage sind, das zweite
Material zu durchdringen. Dieser Umweg führt dazu, daß die individuelle Diffusion der
Ausschlußstoffe zumindest entscheidend verlangsamt ist gegenüber der Diffusion der
Protonen, so daß eine entsprechende Verbesserung der Ausbeute an elektrischer
Energie erreicht wird.
Im Idealfall baut sich im Inneren der mittleren Schicht ein Gefälle auf, das durch
Sättigung ein weiteres Eindringen der Ausschlußstoffe in die mittlere Schicht
vollständig verhindert und auf der anderen Seite der mittleren Schicht eine lediglich so
geringe Konzentration der Ausschlußstoffe enthält, daß diese praktisch nicht mehr
freigesetzt werden.
Die mittlere Schicht der Brennstoffzellenmembran kann beispielsweise so ausgeführt
sein, daß das zweite Material in Form von Partikeln vorliegt, die so angeordnet sind,
daß jede gedachte Gerade durch die mittlere Schicht zumindest ein Partikel,
vorzugsweise eine Vielzahl von Partikeln des zweiten Materials schneidet. Bei dieser
bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmembran
werden also so viele für die vorbestimmten Ausschlußstoffe impermeable Partikel in
die mittlere Schicht eingebracht, daß der direkte Durchtrittsweg, also eine gerade Linie
zwischen den beiden Oberflächen der mittleren Schicht, möglichst mehrfach
unterbrochen ist. Die Ausschlußstoffe müssen somit einen deutlich verlängerten
Umweg um diese Partikel machen, um überhaupt durch die mittlere Schicht
hindurchtreten zu können.
Im Idealfall führt dies dazu, daß Ausschlußstoffe die andere Seite der Membran gar
nicht erreichen können. Um diesen wünschenswerten Effekt zu verstärken, sollte das
zweite Material in Form von flachen Partikeln vorliegen, deren Flachseite im
wesentlichen parallel zu den Oberflächen der mittleren Schicht liegen.
Durch diese Anordnung läßt sich die von den Ausschlußstoffen zurückzulegende
Wegstrecke besonders effektiv verlängern. Die Partikel können beispielsweise eine
Dicke von 20 nm bis 100 µm, vorzugsweise von 0,5 µm bis 10 µm, aufweisen, während
sie eine Breite und eine Länge von 1 mm bis 30 mm, vorzugsweise von 1 mm bis 5 mm
haben können.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine Brennstoffzellenmembran 10 gemäß einer ersten,
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Hierbei kennzeichnen die Bezugszeichen
1 und 2 die äußeren katalytisch aktiven Schichten der Membran 10 und das
Bezugszeichen 3 die mittlere Schicht. In einem Trägermaterial 4 sind flache Partikel 5
mit ihren Flachseiten parallel zu den Oberflächen der mittleren Schicht 3 angeordnet.
Im folgenden wird eine Möglichkeit zur Herstellung einer Membran gemäß der obigen
allgemeinen Ausführungsform erläutert. Bezüglich der Vorteile, Wirkungen und Effekte
wird auf das oben gesagte verwiesen.
Zur Herstellung der Brennstoffzellenmembran gemäß der oben allgemein vorgestellten
Ausführungsform kann beispielsweise eine mittlere Schicht in Form einer Folie
bereitgestellt werden, auf welche die beiden äußeren Schichten auflaminiert werden.
Zur Herstellung der mittleren Schicht kann beispielsweise ein Verfahren verwendet
werden, das folgende Schritte aufweist:
- - Bereitstellen einer Schmelze oder Lösung eines für den Protonentransport geeigneten polymeren Trägermaterials,
- - Einmischen von Partikeln eines zweiten Materials, die für Protonen selektiv durchlässig sind und eine Form mit zwei Flachseiten aufweisen,
- - Herstellen einer Folie aus dem Gemisch und
- - Recken der Folie, so daß sich die Partikel aus dem zweiten Material in der Folie so ausrichten, daß ihre Flachseiten im wesentlichen parallel zu den Oberflächen der Folie liegen.
Durch dieses Verfahren kann eine Folie zur Verwendung als mittlere Schicht erhalten
werden, in der das zweite Material 5 so angeordnet ist, daß ein direkter Durchtritt von
Ausschlußstoffen durch das zweite Material verhindert wird. Durch die Orientierung der
Flachseiten des zweiten Materials in Richtung der Oberflächen der mittleren Schicht
wird eine Oberflächenmaximierung des zweiten Materials bezüglich der Permeation
von Stoffen erreicht.
Bei diesem Verfahren kann von einer Schmelze oder von einer Lösung des
Trägermaterials ausgegangen werden. Demzufolge muß auch das Herstellverfahren
der mittleren Schicht dem Ausgangsmaterial angepaßt sein. Bei Verwendung einer
Schmelze bietet sich beispielsweise ein Extrusionsverfahren an. Alternativ kann auch
ein Gießverfahren angewendet werden. Bei Verwendung einer Lösung muß ein
Herstellverfahren gewählt werden, bei dem das Lösungsmittel entfernt werden kann.
Unter dem Recken der Folie wird ein Verfahren verstanden, bei dem die Oberfläche
der ursprünglichen Folie durch Dehnen der Gesamtfolie in Richtung des Materiallaufs,
gegebenenfalls auch in Querrichtung des Materiallaufs, vergrößert und damit die Dicke
der Folie verringert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke der gereckten Folie, die als mittlere
Schicht eingesetzt werden soll, kleiner als Länge und Breite der verwendeten Partikel.
Auf diese Weise wird besonders sichergestellt, daß die Partikel mit ihren Flachseiten
parallel zu den Oberflächen der mittleren Schicht ausgerichtet werden.
Ein weiteres mögliches Verfahren zur Herstellung einer mittleren Schicht, für dessen
Vorteile, Wirkungen und Effekte wiederum auf das oben gesagte Bezug genommen
wird, weist folgende Schritte auf:
- - A: Bereitstellen einer Folie aus einem Trägermaterial als Basisfolie,
- - B: Aufbringen einer Schicht von verflüssigtem oder gelöstem Trägermaterial auf die Basisfolie,
- - C: Aufbringen von Partikeln eines zweiten Materials auf die Schicht und
- - D: Verfestigen oder Trocknen der Schicht, wobei die Schritte B bis D mehrmals durchgeführt werden.
Die Verwendung von gelöstem Trägermaterial zum Aufbringen auf eine Basisfolie hat
den Vorteil, relativ leicht handhabbar zu sein, da nicht gegebene
Verfestigungstemperaturen der verwendeten Materialien beim Aufbringen auf die Folie
berücksichtigt werden müssen. Grundsätzlich ist es möglich, geschmolzenes
Trägermaterial auf eine solche Basisfolie aufzubringen, sofern die Folie und die
Schmelze jeweils eine geeignete Temperatur haben, um einerseits eine sofortige
Verfestigung des aufgebrachten Materials und andererseits ein Schmelzen der Folie
durch das aufgebrachte Material zu verhindern. Das Aufbringen der Schicht von
Trägermaterial kann beispielsweise mittels eines Lackspritzprozesses erfolgen, das
Aufbringen der Partikel durch ein Streuverfahren.
Das Beschichten der Folie mit dem zweiten Material kann in vorbekannter Weise mit
Hilfe eines Dünnschichtverfahrens erfolgen (wie z. B. Sputtern, Bedampfen, CVD-
Prozess).
Das Laminieren der Lagen erfolgt ebenfalls in dem Fachmann geläufiger Art und
Weise, beispielsweise durch Druck bei gleichzeitigem Erhitzen.
Vorzugsweise werden die Schritte B bis D zumindest zweimal durchgeführt, besonders
bevorzugt zumindest fünfmal, beispielsweise zehnmal. Auch hier ist das Trägermaterial
zumindest für Protonen und das zweite Material selektiv für Protonen durchlässig.
Vorzugsweise weist die Folie des Trägermaterials, die als Grundträger dient, eine
Dicke von 5 µm bis 1 mm, besonders bevorzugt von 50 µm bis 500 µm, beispielsweise
von 100 µm bis 200 µm auf. Die aufgebrachten Schichten des Trägermaterials weisen
vorzugsweise eine Dicke von 5 µm bis 1 mm, besonders bevorzugt von 50 µm bis 500 µm,
beispielsweise von 100 µm bis 200 µm auf.
In einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen ist die
mittlere Schicht aus einem Verbundwerkstoff gebildet, der eine Mehrzahl von
Schichten eines Trägermaterials, das für Protonen durchlässig ist, und eine Mehrzahl
von Schichten eines zweiten Materials aufweist, das für Protonen selektiv permeabel
und für vorgegebene Ausschlußstoffe impermeabel ist, wobei die Schichten des
zweiten Materials zwischen den Schichten des Trägermaterials abwechselnd
angeordnet sind. Es handelt sich bei den Schichten des zweiten Materials um
weitgehend durchgängige, d. h. geschlossene Schichten.
Auf diese Weise wird eine Vielzahl von Schichten erreicht, die den Ausschlußstoff nicht
passieren lassen. Selbst wenn auf Grund der in einer Brennstoffzelle auftretenden
thermischen Unterschiede die Schichten dieses zweiten Materials reißen sollten, da sie
sich in ihrem Ausdehnungskoeffizienten von den Schichten des ersten Materials
unterscheiden, sind noch genügend Überlappungen vorhanden, um die Permeation
des vorgegebenen Ausschlußstoffes ähnlich wie in der Variante mit dem
partikelförmigen zweiten Material zu verhindern. Im Endeffekt sieht also selbst eine
thermisch beschädigte mittlere Schicht gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform
nicht wesentlich anders aus, als die gemäß Fig. 1 gezeigte Ausführungsform.
Vorzugsweise weisen die Schichten des Trägermaterials eine Dicke von 5 µm bis 1 mm,
besonders bevorzugt von 50 µm bis 500 µm, beispielsweise von 100 µm bis 200 µm
auf, während die Schichten des zweiten Materials eine Dicke von 20 nm bis 10 µm,
vorzugsweise von 0,5 µm bis 1 µm, haben können.
Fig. 2 zeigt beispielhaft eine Brennstoffzellenmembran 10 gemäß dieser bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine mittlere Schicht 3 liegt zwischen
zwei katalytisch aktiven Schichten 1 und 2, die in diesem Fall aus sechs Schichten
eines Trägermaterials 6 und fünf geschlossenen Schichten eines zweiten Materials 7
besteht, das für Protonen selektiv permeabel und für vorgegebene Ausschlußstoffe
impermeabel ist.
Auch wenn die Schichten 7 in der Zeichnung als durchgehend dargestellt sind, kann es
im tatsächlichen Einsatz durchaus vorkommen, daß in den Schichten Risse auftreten.
Solche Risse beeinträchtigen jedoch nicht wesentlich die Funktion der
Gesamtmembran, da mehrere Schichten 7 des zweiten Materials übereinander liegen.
Das zweite Material 7 gemäß den obigen Ausführungsformen kann beispielsweise ein
Metall sein. Bevorzugte Metalle sind Palladium, Tantal, Niob, Vanadium und
Legierungen dieser Metalle untereinander und/oder mit anderen Metallen.
Insbesondere wird eine Palladium-Silberlegierung als zweites Material bevorzugt.
Das zweite Material kann auch ein für Protonen selektiv permeables Polymer oder eine
andere organische Verbindung sein.
Im folgenden soll eine Möglichkeit zur Herstellung einer Membran gemäß der
Erfindungsvariante mit durchgehenden Schichten des zweiten Materials 7 erläutert
werden. Bezüglich der Vorteile, Wirkungen und Effekte wird auf das oben gesagte
verwiesen.
Zur Herstellung der mittleren Schicht in dieser Ausführungsform kann ein Verfahren
verwendet werden, welches die folgenden Schritte aufweist:
- 1. a: Bereitstellen einer Folie aus einem für den Protonentransport geeigneten Trägermaterial,
- 2. b: Beschichten der Folie mit einem zweiten Material, das für Protonen selektiv durchlässig ist,
- 3. c: Laminieren mehrerer Lagen der in Schritt b erhaltenen Doppelschichtfolie aufeinander.
Vorzugsweise werden zumindest zwei Lagen, besonders bevorzugt zumindest fünf,
beispielsweise zumindest 10 Lagen der Doppelschichtfolie aufeinander laminiert.
Die Schichten des Trägermaterials können vorzugsweise eine Dicke von 5 µm bis 1 mm,
besonders bevorzugt von 50 µm bis 500 µm, beispielsweise von 100 µm bis 200 µm
aufweisen, während die Schichten des zweiten Materials vorzugsweise eine Dicke
von 20 nm bis 10 µm, besonders bevorzugt von 0,5 µm bis 1 µm aufweisen.
In einer weiteren, einfacheren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die
mittlere Schicht zwei Schichten eines für den Protonentransport geeigneten
Trägermaterials und eine dazwischen angeordnete Schicht aus einem zweiten Material
aufweisen, das für Protonen selektiv permeabel und für vorgegebene Ausschlußstoffe
impermeabel ist. Bei dieser Ausführungsform wird also lediglich eine Schicht eines
sperrenden Materials verwendet. Auch hier kann das zweite Material ein Metall oder
ein für Protonen selektiv permeables Polymer sein.
Bevorzugte Metalle sind wiederum Palladium, Tantal, Niob, Vanadium und
Legierungen dieser Metalle mit anderen Metallen, insbesondere eine Palladium-
Silberlegierung.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der eine mittlere
Schicht 3 zwischen katalytisch aktiven Schichten 1 und 2 gefaßt ist, und zwei
Diffusionsschichten 8 sowie eine Membran aus einem zweiten Material 9 aufweist.
Im folgenden soll eine Möglichkeit zur Herstellung einer Membran gemäß dieser
Variante der Erfindung erläutert werden. Bezüglich der Vorteile, Wirkungen und Effekte
wird auf das oben gesagte verwiesen. Die Herstellung der mittleren Schicht bei dieser
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise durch Laminieren
dreier Schichten von Material aufeinander geschehen. Alternativ kann auch eine
Schicht des Trägermaterials mit dem gewünschten zweiten Material, beispielsweise
einem Metall, bedampft werden, um dann mit einer weiteren Schicht des
Trägermaterials laminiert zu werden.
1
,
2
äußere, katalytisch aktive Schichten
3
mittlere Schicht
4
Trägermaterial
5
flache Partikel/zweites Material
6
Trägermaterial
7
Schichten des zweiten Materials
8
Diffusionsschichten
9
Membran aus zweitem Material
10
Brennstoffzellenmembran
Claims (19)
1. Brennstoffzellenmembran (10) mit zwei äußeren, katalytisch aktiven Schichten
(1, 2) und einer mittleren Schicht (3), die selektiv durchlässig für Protonen ist.
2. Brennstoffzellenmembran (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mittlere Schicht (3) aus einem Verbundwerkstoff gebildet ist, welcher
enthält:
- - ein Trägermaterial (4, 6, 8), das zum Protonentransport fähig ist, und
- - ein zweites Material (5, 7, 9), das für Protonen selektiv permeabel und für vorgegebene Ausschlußstoffe impermeabel ist, wobei das zweite Material so im Trägermaterial (4, 6, 8) angeordnet ist, daß die Diffusion von Ausschlußstoffen durch die mittlere Schicht (3) hindurch stark vermindert oder unterbunden ist.
3. Brennstoffzellenmembran (10) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mittlere Schicht (3) eine Dicke D und das zweite Material (5) so im
Trägermaterial (4) angeordnet ist, daß Ausschlußstoffe einen Permeationsweg
duch die mittlere Schicht (3) nehmen müssen, der wesentlich länger als D ist,
während die Protonen einen Permeationsweg durch die mittlere Schicht (3)
nehmen können, der im wesentlichen gleich D ist.
4. Brennstoffzellenmembran (10) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Weg, den die Ausschlußstoffe durch das Trägermaterial (4) nehmen
müssen, zumindest doppelt so groß, insbesondere zumindest zehnmal oder
zumindest 50mal oder zumindest 100mal so groß ist wie D.
5. Brennstoffzellenmembran (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das zweite Material (5) in Form von Partikeln vorliegt, die so angeordnet
sind, daß jede gedachte Gerade durch die mittlere Schicht (3) zumindest ein
Partikel des zweiten Materials (5) schneidet.
6. Brennstoffzellenmembran (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das zweite Material (5) in Form von flachen Partikeln vorliegt, deren
Flachseiten im wesentlichen parallel zu den Oberflächen der mittleren Schicht
(3) liegen.
7. Brennstoffzellenmembran (10) nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Partikel eine Dicke von 20 nm bis 100 µm aufweisen.
8. Brennstoffzellenmembran (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Partikel eine Breite und Länge von 1 mm bis 30 mm, insbesondere von
1 mm bis 5 mm, aufweisen.
9. Brennstoffzellenmembran (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die mittlere Schicht (3) aus einem Verbundwerkstoff
gebildet ist, welcher eine Mehrzahl von Schichten eines Trägermaterials (6),
das für Protonen durchlässig ist, und eine Mehrzahl von durchgehenden
Schichten eines zweiten Materials (7) aufweist, das für Protonen selektiv
permeabel und für vorgegebene Ausschlußstoffe impermeabel ist, wobei
die Schichten des zweiten Materials (7) und die Schichten des Trägermaterials
(6) abwechselnd angeordnet sind.
10. Brennstoffzellenmembran (10) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schichten des Trägermaterials (6) eine Dicke von 5 µm bis 1 mm
aufweisen.
11. Brennstoffzellenmembran (10) nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schichten des zweiten Materials (7) eine Dicke von 20 nm bis 10 µm
aufweisen.
12. Brennstoffzellenmembran (10) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mittlere Schicht (3) zumindest zwei Schichten des Trägermaterials (8)
und zumindest eine dazwischen angeordnete Schicht aus dem zweiten Material
(9) aufweist.
13. Brennstoffzellenmembran (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß das zweite Material (7, 9) ein Metall ist.
14. Brennstoffzellenmembran (10) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Metall ausgewählt ist aus Palladium, Tantal, Niob, Vanadium, und
Legierungen dieser Metalle untereinander und/oder mit anderen Metallen.
15. Brennstoffzellenmembran (10) nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Metall eine Palladium-Silberlegierung ist.
16. Brennstoffzellenmembran (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß das zweite Material (7, 9) ein Polymer ist.
17. Brennstoffzellenmembran (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausschlußstoffe Kohlenmonoxid umfassen.
18. Brennstoffzellenmembran (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Trägermaterial (4, 6, 8) ein zum Protonentransport fähiges Polymer
enthält.
19. Brennstoffzellenmembran (10) nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Polymer ausgewählt ist aus Nation und Polyetherketonen.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10010399A DE10010399A1 (de) | 2000-02-28 | 2000-02-28 | Brennstoffzellenmembran mit Sperrschicht |
PCT/DE2001/000575 WO2001065622A1 (de) | 2000-02-28 | 2001-02-12 | Brennstoffzellenmembran mit sprerrschicht |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10010399A DE10010399A1 (de) | 2000-02-28 | 2000-02-28 | Brennstoffzellenmembran mit Sperrschicht |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10010399A1 true DE10010399A1 (de) | 2001-09-06 |
Family
ID=7633379
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE10010399A Withdrawn DE10010399A1 (de) | 2000-02-28 | 2000-02-28 | Brennstoffzellenmembran mit Sperrschicht |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10010399A1 (de) |
WO (1) | WO2001065622A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2002080296A2 (de) * | 2001-03-30 | 2002-10-10 | Creavis Gesellschaft Für Technologie Und Innovation Mbh | Elektrolytmembran, diese umfassende membranelektrodeneinheiten, verfahren zur herstellung und spezielle verwendungen |
WO2003069708A2 (de) * | 2002-02-13 | 2003-08-21 | Creavis Gesellschaft Für Technologie Und Innovation Mbh | Elektrolytmembran mit diffusionsbarriere, diese umfassende membranelektrodeneinheiten, verfahren zur herstellung und spezielle verwendungen |
EP3282512A4 (de) * | 2015-04-08 | 2018-11-14 | LG Chem, Ltd. | Polymerelektrolytmembran, elektrochemische zelle und durchflusszelle damit, verfahren zur herstellung einer polymerelektrolytmembran und durchflusszellenelektrolyt |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20060083852A1 (en) * | 2004-10-18 | 2006-04-20 | Yoocham Jeon | Fuel cell apparatus and method of manufacture thereof |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5919583A (en) * | 1995-03-20 | 1999-07-06 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Membranes containing inorganic fillers and membrane and electrode assemblies and electrochemical cells employing same |
DE19646487C2 (de) * | 1996-11-11 | 1998-10-08 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Elektroden-Elektrolyt-Einheit für eine Brennstoffzelle |
DE19734634C1 (de) * | 1997-08-11 | 1999-01-07 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Brennstoffzelle zur direkten Verstromung von Methanol |
DE19859765A1 (de) * | 1998-12-23 | 2000-06-29 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Elektroden-Elektrolyt-Einheit für eine Brennstoffzelle |
-
2000
- 2000-02-28 DE DE10010399A patent/DE10010399A1/de not_active Withdrawn
-
2001
- 2001-02-12 WO PCT/DE2001/000575 patent/WO2001065622A1/de active Application Filing
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2002080296A2 (de) * | 2001-03-30 | 2002-10-10 | Creavis Gesellschaft Für Technologie Und Innovation Mbh | Elektrolytmembran, diese umfassende membranelektrodeneinheiten, verfahren zur herstellung und spezielle verwendungen |
WO2002080296A3 (de) * | 2001-03-30 | 2005-04-07 | Creavis Tech & Innovation Gmbh | Elektrolytmembran, diese umfassende membranelektrodeneinheiten, verfahren zur herstellung und spezielle verwendungen |
WO2003069708A2 (de) * | 2002-02-13 | 2003-08-21 | Creavis Gesellschaft Für Technologie Und Innovation Mbh | Elektrolytmembran mit diffusionsbarriere, diese umfassende membranelektrodeneinheiten, verfahren zur herstellung und spezielle verwendungen |
WO2003069708A3 (de) * | 2002-02-13 | 2003-12-31 | Creavis Tech & Innovation Gmbh | Elektrolytmembran mit diffusionsbarriere, diese umfassende membranelektrodeneinheiten, verfahren zur herstellung und spezielle verwendungen |
EP3282512A4 (de) * | 2015-04-08 | 2018-11-14 | LG Chem, Ltd. | Polymerelektrolytmembran, elektrochemische zelle und durchflusszelle damit, verfahren zur herstellung einer polymerelektrolytmembran und durchflusszellenelektrolyt |
US10826100B2 (en) | 2015-04-08 | 2020-11-03 | Lg Chem, Ltd. | Polymer electrolyte membrane, electrochemical cell and flow cell comprising same, method for manufacturing polymer electrolyte membrane, and flow cell electrolyte |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2001065622A1 (de) | 2001-09-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE60203763T2 (de) | Einheit zur Wasserstoffabtrennung | |
DE112007001512T5 (de) | Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellen-Elektrolytmembran und Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit | |
DE19548422A1 (de) | Materialverbunde und ihre kontinuierliche Herstellung | |
EP1396039A2 (de) | Brennstoffzelle und verfahren zur herstellung einer solchen brennstoffzelle | |
DE102007008213A1 (de) | Gesteuerte Elektrodenüberlappungsarchitektur zur verbesserten MEA-Haltbarkeit | |
DE60307277T2 (de) | Anodengestützte brennstoffzelle | |
EP1051768B1 (de) | Brennstoffzelle mit einem protonenleitfähigen elektrolyten | |
DE102012218303A1 (de) | Verfahren zur Herstellung einer Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung von Prozessgasen sowie Befeuchtungseinrichtung | |
EP0722193B1 (de) | Elektrochemisch aktives Element zu einer planaren Hochtemperatur-Brennstoffzelle | |
DE102017117666A1 (de) | Verfahren zum Herstellen eines metallischen Bauteils | |
WO2003038935A1 (de) | Mikrobrennstoffzellensystem | |
DE10010399A1 (de) | Brennstoffzellenmembran mit Sperrschicht | |
WO2020007733A1 (de) | Verfahren zum herstellen einer elektrochemisch aktiven einheit und trägerelement für eine baugruppe einer elektrochemisch aktiven einheit | |
DE102015214520A1 (de) | Membran für eine Membran-Elektroden-Einheit einer Brennstoffzelle und Herstellungsverfahren | |
EP1278258A2 (de) | Brennstoffzelleneinheit und Brennstoffzellenblockverbund | |
DE102019002310A1 (de) | Separatorplatte für eine Brennstoffzelle | |
DE102020127463A1 (de) | Verfahren zur Herstellung eines funktionalisiert strukturierten Aufbaus für eine Brennstoffzelle und Membranelektrodenanordnung | |
EP2962351B1 (de) | Brennstoffzellensystem | |
DE102020114960A1 (de) | Herstellungsverfahren für eine Brennstoffzelle | |
DE102020204386A1 (de) | Verfahren zur Herstellung einer Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur und Brennstoff-/Elektrolysezelle | |
DE60028605T2 (de) | Verfahren und konstruktion zur ventilation von wasserstoffgas | |
DE2037358A1 (de) | Elektrische Energiequelle mit Brenn Stoffzellen und Flektroden und Herstellungs verfahren | |
DE10010396A1 (de) | Kompositmembran zur selektiven Diffusion von Stoffen und Verfahren zu ihrer Herstellung | |
DE102018204816A1 (de) | Brennstoffzellenaufbau | |
DE102013007199A1 (de) | Membranelektrodenanordnung und Brennstoffzelle |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8130 | Withdrawal |