DE102004009396A1

DE102004009396A1 - Membran, insbesondere für eine Verwendung in einer Brennstoffzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102004009396A1
Application number: DE102004009396A
Authority: DE
Inventors: Robert H Schuster
Original assignee: Schuster Robert H Prof Dr
Current assignee: Schuster Robert H Prof Dr
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2005-09-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membran, insbesondere für eine Verwendung in einer Wasserstoff in elektrische Energie umsetzenden Brennstoffzelle, die aus einem Polymer und einer Protonen leitenden Substanz besteht. Es ist die Aufgabe der Erfindung, mit einfachen Mitteln Membranen zu schaffen, die in ihren Eigenschaften den mechanischen, elektrischen und thermischen Erfordernissen des Betriebes von Brennstoffzellen besser anpaßbar sind und aufgrund ihrer verbesserten Anpassungsmöglichkeit an Betriebserfordernisse ein erheblich erweitertes Einsatzgebiet und eine verbesserte Effektivität aufweisen. Die Erfindung besteht darin, daß die Protonen leitende Substanz aus genähert kugelförmigen oder sphärischen (nichtlinearen) Partikeln einer Größenordnung im Nanobereich besteht, und daß diese Partikel einander zumindest teilweise berührend in ein Polymer eingebettet sind, wobei die Kettenmoleküle dieses Polymers sich durch die zwischen den Partikeln verbleibenden Zwischenräume erstrecken und diese zumindest teilweise füllen. Bei der Herstellung geht man so vor, daß man die Protonen leitende Substanz gesondert von dem Polymer herstellt, daß man die Protonen leitende Substanz als kugelförmige oder sphärische (nichtlinearen) Partikel im Nanobereich herstellt, und daß man diese Partikel mit dem Polymer mischt und in das Polymer so einbaut oder einmischt, daß benachbart nebeneinander zu liegen kommende Partikel Brücken der Leitung von Protonen bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Membran, insbesondere für eine Verwendung in einer Wasserstoff in elektrische Energie umsetzenden Brennstoffzelle, die aus einem Polymer und einer Protonen leitenden Substanz besteht.
Brennstoffzellen sind mit Membranen ausgestattet, die aus einem Polymer bestehen, das an den Enden der dieses Polymer bildenden Kettenmoleküle und oder an den Enden von Seitenzweigen diesar Kettenmoleküle Protonen leitende Molekularbausteine trägt. Die Anzahl der hier verwendbaren Polymere ist sehr beschränkt, wodurch auch die physikalischen Eigenschaften der Membranen weitgehend festgelegt sind. Diese mit diesen Polymeren erreichbaren physikalischen Eigenschaften begrenzen die Einsatz- und Anwendungsfähigkeit dieser Membranen und somit der mit ihnen ausgestatteten Brennstoffzellen. Eine bekannte Membran bedarf der ständigen Befeuchtung, was den technischen Aufwand bei der Herstellung und im Betrieb unangemessen vergrößert.
Die Erfindung vermeidet die Nachteile des Standes der Technik. Es ist die Aufgabe der Erfindung, mit einfachen Mitteln Membra nen zu schaffen, die in ihren Eigenschaften den mechanischen, elektrischen und thermischen Erfordernissen des Betriebes von Brennstoffzellen besser anpaßbar sind und aufgrund ihrer verbesserten Anpassungsmöglichkeit an Betriebserfordernisse ein erheblich erweitertes Einsatzgebiet und eine verbesserte Effektivität aufweisen.
Die Erfindung besteht darin, daß die Protonen leitende Substanz aus genähert kugelförmigen oder sphärischen (nichtlinearen) Partikeln einer Größenordnung im Nannobereich besteht, und daß diese Partikel einander zumindest teilweise berührend in ein Polymer eingebettet sind, wobei die Kettenmoleküle dieses Polymers sich durch die zwischen den Partikeln verbleibenden Zwischenräume erstrecken und diese zumindest teilweise füllen.
Die Verwendung dieser zwei getrennt von einander hergestellten Grundstoffe erlauben die Verwendung von Protonen leitenden Substanzen und die Verwendung von Polymeren, die bisher nicht anwendbar waren und die Erzielung physikalischer Eigenschaften der Membran, die bisher nicht erreichbar waren. Die Verwendung dieser beiden getrennt hergestellten, aber dann vermischten oder vermengten, eventuell sogar Bindungen an den funktionellen Gruppen eingehenden Grundstoffe führt zu einem Produkt, das in seinen physikalischen Eigenschafen auf beide Grundstoffe zurückgeht, im allgemeinen jedoch nicht durch die physikalischen Eigenschaften eines der Grundstoffe zurückgeht.
Bei der Herstellung dieser Membran geht man so vor, daß man die Protonen leitende Substanz gesondert von dem Polymer herstellt, daß man die Protonen leitende Substanz als kugelförmige oder sphärische (nichtlinearen) Partikel im Nannobereich herstellt, und daß man diese Partikel mit dem Polymer mischt und in das Polymer so einbaut oder einmischt, daß benachbart nebeneinander zu liegen kommende Partikel Brücken der Leitung von Protonen bilden.
Auf diese Weise kann man Membranen der unterschiedlichsten Art mit den unterschiedlichsten Eigenschaften schaffen und die Brennstoffzellentechnik besser und effektiver einsetzen. Durch die getrennte Herstellung von Protonen leitender Substanz und Protonen nicht leitenden Polymer hat man stark erweiterte Möglichkeiten der Realisierung gewünschter mechanischer, elektrischer und thermischer Eigenschaften der Membranen und kann diese den Erfordernissen des Betriebes besser anpassen.
So kann man bei der Herstellung so vorgehen, daß man die Protonen leitende Substanz als Partikel einer Größenordnung im Nannobereich herstellt, sie in ein Protonen nicht leitendes Polymer so dicht gelagert einbettet, daß diese Partikel einander zumindest teilweise berühren, und daß man die sich dreidimensional erstreckenden Kettenmoleküle dieses Polymers sich durch die zwischen den Partikeln verbleibenden Zwischenräume erstrecken und diese zumindest teilweise füllen läßt.
Man kann aber auch so vorgehen, daß man ein Polymer verwendet, welches an Enden seiner Ketten und/oder Seitenzweige ebenfalls Protonen leitende funktionnelle Gruppen trägt, daß man die sich dreidimensional erstreckenden Ketenmoleküle dieses Polymers sich durch die zwischen den Partikeln verbleibenden Zwischenräume erstrecken und diese zumindest teilweise füllen läßt, wobei die mit mit den gesondert hergestellten Protonen leitenden Partikel die Protonenleitungseigenschaften der Membran verstärken.
Die Partikel der Protonen leitende Substanz können funktionelle Gruppen in Form von Sulfonsäure-, Phosphorsäure- und/oder Carbonsäuregruppen aufweisen. Dabei kommt den Phosphor säuregruppen eine besondere Bedeutung zu.
Als das verwendete Polymer kann man einen Naturstoff, einen Kunststoff, Silikon oder Kautschuk einsetzen.
Bei der Herstellung dieser Membranen geht man so vor, daß man die Protonen leitende Substanz als Partikel einer Größenordnung im Nannobereich herstellt, diese zu mikroskopisch kleinen, genähert kugelförmigen (nichtlinearen) Agglomeraten agglomeriert, und diese Agglomerate in das Protonen nicht leitende Polymer einbettet, wo diese Agglomerate einander zumindest teilweise berühren und die ein dreidimensionales Gitter bildenden Kettenmoleküle dieses Polymers sich durch die zwischen den Partikeln verbleibenden Zwischenräume erstrecken und diese zumindest teilweise füllen.
Mit Vorteil erreicht man letzteres durch eine Einstellung des Mengenverhältnisses von Protonen leitender Substanz und Polymer vor ihrer Vermischung.

Claims

Membran, insbesondere für eine Verwendung in einer Wasserstoff in elektrische Energie umsetzenden Brennstoffzelle, die aus einem Polymer und einer Protonen leitenden Substanz besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Protonen leitende Substanz aus mikroskopisch kleinen, genähert kugelförmigen oder sphärischen (nichtlinearen) Partikeln einer Größenordnung im Nannobereich besteht, und daß diese Partikel einander zumindest teilweise berührend in ein Polymer eingebettet sind, wobei die Kettenmoleküle dieses Polymers sich durch die zwischen den Partikeln verbleibenden Zwischenräume erstrecken und diese zumindest teilweise füllen.
Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel als Protonen leitende Substanz funktionelle Gruppen in Form von Sulfonsäure-, Phosphorsäure- und/oder Carbonsäuregruppen aufweisen.
Membran nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, daß Protonen leitende Bausteine der Partikel als funktionelle Gruppen an Ketten eines Polymers gebunden sind.
Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Polymer ein Naturstoff, Kunststoff, Silikon oder Kautschuk ist.
Verfahren zur Herstellung einer aus einem Polymer und einer Protonen leitenden Substanz bestehenden Membran, insbesondere für eine Verwendung in einer Wasserstoff in elektrische Energie umsetzenden Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, daß man die Protonen leitende Substanz gesondert von dem Polymer herstellt, daß man die Protonen leitende Substanz als kugelförmige oder sphärische (nichtlinearen) Partikel im Nannobereich herstellt, und daß man diese Partikel mit dem Polymer mischt und in das Polymer so einbaut oder einmischt, daß benachbart nebeneinander zu liegen kommende Partikel Brücken der Leitung von Protonen bilden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Protonen leitende Substanz als Partikel einer Größenordnung im Nannobereich herstellt, sie in ein Protonen nicht leitendes Polymer so dicht gelagert einbettet, daß diese Partikel einander zumindest teilweise berühren, und daß man die sich dreidimensional erstreckenden Kettenmoleküle dieses Polymers sich durch die zwischen den Partikeln verbleibenden Zwischenräume erstrecken und diese zumindest teilweiss füllen läßt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Polymer verwendet, welches an Enden seiner Ketten und/oder Seitenzweige ebenfalls Protonen leitende funktionnelle Gruppen trägt, daß man die sich dreidimensional erstreckenden Kettenmoleküle dieses Polymers sich durch die zwischen den Partikeln verbleibenden Zwischenräume erstrecken und diese zumindest teilweise füllen läßt, wobei die mit mit den gesondert hergestellten Protonen leitenden Partikel die Protonenleitungseigenschaften der Membran verstärken.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als Polymer einen Naturstoff, Kunststoff, Silikon oder Kautschuk verwendet.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man das Mengenverhältnis von Protonen leitender Substanz und Polymer vor ihrer Vermischung so einstellt, daß die Kettenmoleküle dieses Polymers sich durch die zwischen den Partikeln verbleibenden Zwischenräume dreidimensional erstrecken und diese zumindest teilweise füllen.
Verwendung eines Gemisches aus getrennt hergestellten Protonen leitender Substanz in Form von Partikeln einer Größe im Nannobereich und einem getrennt hergestellten Polymer, in das die Partikel der Protonen leitenden Substanz so eng eingemischt oder eingebaut sind, daß die Kettenmoleküle des Polymers sich durch die zwischen den Partikeln verbleibenden Zwischenräume erstrecken und diese zumindest teilweise füllen, zur Herstellung einer Membran insbesondere für eine Verwendung in einer Wasserstoff in elektrische Energie umsetzenden Brennstoffzelle.