DE102007018280A1 - Polymer electrolyte membrane manufacturing method for fuel cell, involves impregnating polymer membrane with liquid or solved electrolytes, where polymer membrane is supported between carrier foils that lie at both sides of polymer membrane - Google Patents

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Abstract

The method involves impregnating a polymer membrane (24) with liquid or solved electrolytes (26). The polymer membrane is supported between two carrier foils that are moistened and/or immersed with the electrolytes and that lie at both sides of the polymer membrane, during the impregnation of the polymer membrane and/or the electrolytes. The carrier foils are permeable for the electrolytes and made up of a polymer material. A process pressure different from an ambient pressure is pressurized during the impregnation, where the process pressure is higher or lower than the ambient pressure.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran für eine Brennstoffzelle, insbesondere zur Imprägnierung einer Membran mit einem Elektrolyten, sowie eine nach dem Verfahren hergestellte Membran.The The invention relates to a process for producing a high-temperature polymer electrolyte membrane for a fuel cell, in particular for impregnation a membrane with an electrolyte, and one after the process produced membrane.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die einen Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode darstellt. Die Elektroden weisen eine katalytische Schicht auf, die entweder auf einem gasdurchlässigen Substrat aufgebracht ist oder direkt auf der Membran. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation des Wasserstoffs zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird ferner Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) zugeführt, so dass eine Reduktion von Sauerstoff zu O2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den Protonen unter Bildung von Wasser. In der Regel umfasst eine Brennstoffzelle eine Vielzahl von Membran-Elektroden-Einheiten in so genannten Brennstoffzellenstapeln (Stacks), wobei außen an den Elektroden jeweils üblicherweise eine poröse Gasdiffusionsschicht zur homogenen Zufuhr der Reaktionsgase zu den Elektroden angeordnet ist. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.Fuel cells use the chemical transformation of hydrogen and oxygen into water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as a core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which represents a composite of a proton-conducting membrane and in each case an electrode arranged on both sides of the membrane. The electrodes have a catalytic layer, which is applied either on a gas-permeable substrate or directly on the membrane. During operation of the fuel cell, hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of the hydrogen to H + takes place with the release of electrons. Via the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of protons H + from the anode compartment in the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is further supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example air), so that a reduction of oxygen to O 2- taking place of the electrons takes place. At the same time, in the cathode compartment, these oxygen anions react with the protons to form water. In general, a fuel cell comprises a plurality of membrane-electrode assemblies in so-called fuel cell stacks (stacks), wherein on the outside of the electrodes usually each a porous gas diffusion layer for homogeneous supply of the reaction gases to the electrodes is arranged. The direct conversion of chemical to electrical energy fuel cells achieve over other electricity generators due to the circumvention of the Carnot factor improved efficiency.

Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM). Die verbreiteteste PEM ist eine Membran aus einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion®, Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Sulfonylsäurefluorid-Derivat eines Perfluoralkylvinylether). Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von flüssigem Wasser Bedingung ist, wodurch sich eine Reihe von Nachteilen ergibt. So ist im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich, was einen hohen Systemaufwand bedeutet. Kommt es zu einem Ausfall des Befeuchtungssystems, sind Leistungsverluste und irreversible Schädigungen der Membran-Elektroden-Einheit die Folge. Ferner ist die maximale Betriebstemperatur dieser Nafion-Membran-Brennstoffzellen – auch aufgrund der mangelnden thermischen Dauerstabilität der Membranen – bei Normdruck auf unter 100°C beschränkt. Für den mobilen wie auch den stationären Einsatz sind jedoch Betriebstemperaturen oberhalb von 100°C aus vielen Gründen erstrebenswert. So erhöht sich der Wärmeübergang mit steigender Differenz zur Umgebungstemperatur und ermöglicht eine bessere Kühlung des Brennstoffzellenstapels. Ferner nehmen die katalytische Aktivität der Elektroden sowie die Toleranz gegenüber Verunreinigungen der Brenngase mit steigender Temperatur zu. Gleichzeitig sinkt die Viskosität der elektrolytischen Substanzen mit zunehmender Temperatur und verbessert den Stofftransport zu den reaktiven Zentren der Elektroden. Schließlich fällt bei Temperaturen oberhalb von 100°C das entstehende Produktwasser gasförmig an und kann besser aus der Reaktionszone abgeführt werden, so dass in der Gasdiffusionsschicht vorhandene Gastransportpfade (Poren und Maschen) freigehalten werden und auch ein Auswaschen der Elektrolyte und Elektrolytzusätze verhindert wird.Currently the most advanced fuel cell technology is based on polymer electrolyte membranes (PEM). The most widespread PEM is a membrane of a sulfonated polytetrafluoroethylene copolymer (trade name: Nafion ®, copolymer of tetrafluoroethylene and a perfluoroalkyl vinyl ether Sulfonylsäurefluorid derivative of a). The electrolytic conduction takes place via hydrated protons, which is why the presence of liquid water is a prerequisite for the proton conductivity, resulting in a number of disadvantages. Thus, during operation of the PEM fuel cell moistening of the operating gases is required, which means a high system cost. If the humidification system fails, power losses and irreversible damage to the membrane-electrode assembly are the result. Furthermore, the maximum operating temperature of these Nafion membrane fuel cells - also limited due to the lack of thermal stability of the membranes - at standard pressure below 100 ° C. For mobile as well as stationary use, however, operating temperatures above 100 ° C are desirable for many reasons. Thus, the heat transfer increases with increasing difference to the ambient temperature and allows better cooling of the fuel cell stack. Furthermore, the catalytic activity of the electrodes and the tolerance to contamination of the fuel gases increase with increasing temperature. At the same time, the viscosity of the electrolytic substances decreases with increasing temperature and improves the mass transfer to the reactive centers of the electrodes. Finally, at temperatures above 100 ° C, the resulting product water is gaseous and can be better removed from the reaction zone, so that in the gas diffusion layer existing gas transport paths (pores and mesh) are kept free and also washing out of the electrolytes and electrolyte additives is prevented.

Zur Überwindung dieser Probleme sind in jüngerer Zeit Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen (HT-PEM-Brennstoffzellen) entwickelt worden, die bei Betriebstemperaturen von 120 bis 180°C arbeiten und die keine oder nur geringe Befeuchtung erfordern. Die elektrolytische Leitfähigkeit der hier eingesetzten Membranen basiert auf flüssigen, durch elektrostatische Komplexbindung an das Polymergerüst gebundenen Elektrolyten, insbesondere Säuren oder Basen, die auch bei vollständiger Trockenheit der Membran oberhalb des Siedepunktes von Wasser die Protonenleitfähigkeit gewährleisten. Beispielsweise sind Hochtemperaturmembranen aus Polybenzimidazol (PBI), die mit Säuren, wie etwa Phosphorsäure, Schwefelsäure und anderen, komplexiert werden, in US 5,525,436 , US 5,716,727 , US 5,599,639 , WO 01/18894 A , WO 99/04445 A , EP 0 983 134 B und EP 0 954 544 B beschrieben. Für das System PBI/H3PO4 beschreibt DE 102 46 459 A Zusätze von perfluorierten Sulfonsäureadditiven zum Elektrolyt der Membran, insbesondere Trifluormethansulfonsäure oder Perfluorhexansulfonsäure, wodurch eine Leistungsverbesserung bei 160°C durch Erhöhung der Sauerstofflöslichkeit und -diffusion erzielt wird.To overcome these problems, high-temperature PEM (HT-PEM) fuel cells have recently been developed which operate at operating temperatures of 120 to 180 ° C and which require little or no humidification. The electrolytic conductivity of the membranes used here is based on liquid, bound by electrostatic complex binding to the polymer backbone electrolyte, in particular acids or bases that ensure the proton conductivity even with complete dryness of the membrane above the boiling point of water. For example, polybenzimidazole (PBI) high temperature membranes which are complexed with acids such as phosphoric acid, sulfuric acid and others are disclosed in U.S.Pat US 5,525,436 . US 5,716,727 . US 5,599,639 . WO 01/18894 A . WO 99/04445 A . EP 0 983 134 B and EP 0 954 544 B described. For the system PBI / H 3 PO 4 describes DE 102 46 459 A Additions of perfluorinated sulfonic acid additives to the membrane electrolyte, in particular trifluoromethanesulfonic acid or perfluorohexanesulfonic acid, whereby a performance improvement at 160 ° C by increasing the oxygen solubility and diffusion is achieved.

Da die absolute Menge aufgenommenen Elektrolyts unmittelbar die Protonenleitfähigkeit und damit die elektrische Leistung der Brennstoffzelle bestimmt, werden für hohe Leistungen möglichst hohe und gleichmäßige Elektrolytbeladungen angestrebt. Hierfür werden die Polymerelektrolytmembranen durch Imprägnieren hergestellt, wobei üblicherweise die Membran in den flüssigen oder gelösten Elektrolyten getaucht oder in diesen gelegt wird. Problematisch an dieser Vorgehensweise ist, dass es hierbei zu einer Volumenschwellung des polymeren Membranmaterials kommt, wodurch die mechanische Stabilität der nur μm-dicken Membran abnimmt. Kritisch ist insbesondere ein ungleichmäßiges Schwellen der Membran, wodurch häufig lokale Auflösungserscheinungen der Membran und Spannungsrisse hervorgerufen werden. Das Verfahren leidet ferner unter einer mangelnden Reproduzierbarkeit der aufgenommenen Elektrolytmenge sowie an lokal fluktuierenden Beladungsraten mit der Folge variierenden Leistungen der entsprechenden MEA.Since the absolute amount of electrolyte absorbed directly determines the proton conductivity and thus the electrical power of the fuel cell, the highest possible and uniform electrolyte loadings are sought for high powers. For this purpose, the polymer electrolyte membranes are prepared by impregnation, wherein usually the membrane is immersed in the liquid or dissolved electrolyte or placed in this. The problem with this approach is that it comes to a volume swelling of the polymeric membrane material, whereby the mechanical stability of the only micron-thick membrane decreases. Particularly critical is an uneven swelling of the membrane, which often local dissolution phenomena of the membrane and stress cracks are caused. The method also suffers from a lack of reproducibility of the amount of electrolyte taken up as well as locally fluctuating loading rates resulting in varying performances of the corresponding MEA.

Um eine schnellere und gleichmäßigere Beladung mit Säure zu erzielen, ist aus DE 103 31 365 A die Verwendung asymmetrischer Polymermembranen bekannt. Hierdurch wird jedoch nicht das Problem der mechanischen Destabilisierung und den damit einhergehenden Schädigungen des Membranmaterials gelöst.To achieve a faster and more uniform loading of acid, is off DE 103 31 365 A the use of asymmetric polymer membranes known. However, this does not solve the problem of mechanical destabilization and the associated damage to the membrane material.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Polymerelektrolytmembran, insbesondere zur Imprägnierung einer Polymermembran mit zumindest einem Elektrolyten, zur Verfügung zu stellen, das einerseits hohe, gleichmäßige und reproduzierbare Elektrolytbeladungen der Membran gewährleistet und andererseits besonders materialschonend ist, so dass Membranschädigungen vermieden werden.Of the Invention is based on the object, a process for the preparation a polymer electrolyte membrane, in particular for impregnation a polymer membrane with at least one electrolyte available to put on the one hand high, even and ensures reproducible electrolyte loading of the membrane and on the other hand is particularly gentle on materials, so that membrane damage be avoided.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass während der Imprägnierung der Polymermembran mit zumindest einem flüssigen oder gelösten Elektrolyten die Polymermembran zwischen zwei beidseitig an der Polymermembran flächig anliegenden, mit dem zumindest einen Elektrolyten benetzten und/oder getränkten Trägerfolien gelagert wird. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass auf diese Weise eine mechanische Stabilisierung der Membran erreicht wird, welche diese vor örtlich ungleichmäßigem Schwellen und hierdurch verursachte Schädigungen schützt. Überraschend hat sich zudem erwiesen, dass die erfindungsgemäße Beaufschlagung der Membran mit den beidseitig angelegten Trägerfolien zu einer besonders gleichmäßigen und auch hohen Elektrolytaufnahme führt, was möglicherweise auf die zwischen Membran und Trägerfolie herrschenden Kapillarkräfte zurückzuführen ist.These Task is performed by a procedure with the characteristics of independent Claims solved. The invention Procedure provides that during impregnation the polymer membrane with at least one liquid or dissolved Electrolytes the polymer membrane between two on both sides of the Polymer membrane surface adjacent, with the at least one Electrolytes wetted and / or impregnated carrier films is stored. It has turned out that achieved in this way a mechanical stabilization of the membrane which is what these are before locally uneven swells and thereby damages caused. Surprised has also proved that the inventive Loading the membrane with the two sides applied carrier foils too a particularly uniform and high electrolyte absorption which possibly leads to the between membrane and carrier film prevailing capillary forces due is.

Als besonders vorteilhaft haben sich in diesem Zusammenhang Trägerfolien erwiesen, die für den oder die Elektrolyten durchlässig sind. Dies kann insbesondere durch mikroporöse Filme, Gewebe- oder Filzstrukturen realisiert werden. Auf diese Weise wird die Membran mit einem durchgängigen Kapillarsystem kontaktiert, das eine örtlich und zeitlich gleichmäßige und hohe Transportrate des Elektrolyten zur Membran gewährleistet. Mit Vorteil können Trägerfolien aus organischen Polymermaterialien eingesetzt werden, wobei die Wahl des Polymermaterials von dem Elektrolyten und seines Lösungsmittels abhängt.When Carrier films in this context have become particularly advantageous proved to be permeable to the electrolyte or electrolytes are. This may in particular by microporous films, tissue or Felt structures can be realized. In this way the membrane becomes contacted with a continuous capillary system, the a spatially and temporally uniform and ensures high transport rate of the electrolyte to the membrane. Advantageously, carrier films of organic Polymer materials are used, the choice of the polymer material depends on the electrolyte and its solvent.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden während der Imprägnierung die Polymermembran und/oder der Elektrolyt zumindest zeitweise mit einem vom Umgebungsdruck unterschiedlichen Prozessdruck, das heißt mit einem Über- oder Unterdruck, beaufschlagt. Überraschend bewirken beide Möglichkeiten den vorteilhaften Effekt einer beschleunigten Elektrolytaufnahme durch die Membran und führen zudem auch zu sehr reproduzierbaren Ergebnissen, das heißt – bei gegebenen Prozessparametern – zu konstanten Beladungsergebnissen. Die besten Resultate werden erreicht, wenn die Polymermembran und/oder der Elektrolyt während der Imprägnierung alternierend mit einem Unter- und einem Überdruck beaufschlagt werden.To a particularly advantageous embodiment of the invention during impregnation, the polymer membrane and / or the electrolyte at least temporarily with one of the ambient pressure different process pressure, ie with an over- or negative pressure, applied. Surprising effect both Possibilities the beneficial effect of an accelerated Electrolyte uptake through the membrane and also lead to very reproducible results, that is - at given process parameters - to constant loading results. The best results are achieved when the polymer membrane and / or the electrolyte alternately during the impregnation with a negative pressure and an overpressure are applied.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the others, in the subclaims mentioned features.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below in embodiments the accompanying drawings explained. Show it:

1A eine schematische Ansicht einer Brennstoffzelle; 1A a schematic view of a fuel cell;

1B einen Ausschnitt aus 1A mit einer Membran-Elektroden-Einheit; und 1B a section from 1A with a membrane-electrode assembly; and

1C eine Membran-Elektroden-Einheit. 1C a membrane-electrode unit.

1A zeigt in einer stark schematischen Darstellung eine Brennstoffzelle 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 12, der aus einer Vielzahl von Membran-Elektroden-Einheiten 14 (MEA) besteht, von denen eine in 1B in einer vergrößerten Schnittansicht gezeigt ist. Eine etwas detailliertere Darstellung eines Ausschnitts der Membran-Elektroden-Einheit 14 zeigt 1C ebenfalls in Schnittansicht. 1A shows a highly schematic representation of a fuel cell 10 with a fuel cell stack 12 , which consists of a variety of membrane electrode assemblies 14 (MEA), one of which is in 1B is shown in an enlarged sectional view. A more detailed representation of a section of the membrane-electrode assembly 14 shows 1C also in sectional view.

Wie aus den 1B und 1C ersichtlich ist, umfasst die MEA 14 eine protonenleitende (im Wesentlichen wasserfreie) Polymermembran 16, die aus einem geeigneten Polymermaterial 24 gebildet und mit zumindest einem Elektrolyten 26 imprägniert ist. Beispielsweise kann das Polymermaterial 24 ein Polymer aus der Gruppe der Polyazole und Polyphosphazene sein. Insbesondere sind hier Polybenzimidazole, Polypyridine, Polypyrimidine, Polyimidazole, Polybenzthiazole, Polybenzoxazole, Polyoxadiazole, Polychinoxaline, Polythiadiazole, Poly(tetrazapyrene), Polyvinylpyridine, Polyvinylimidazole zu nennen. Vorzugsweise ist die Polymermembran 16 aus Polybenzimidazol (PBI) gebildet.Like from the 1B and 1C can be seen, includes the MEA 14 a proton-conducting (essentially anhydrous) polymer membrane 16 made of a suitable polymer material 24 formed and with at least one electrolyte 26 impregnated. For example, the polymer material 24 be a polymer from the group of polyazoles and polyphosphazenes. In particular, here are polybenes zimidazoles, polypyridines, polypyrimidines, polyimidazoles, polybenzothiazoles, polybenzoxazoles, polyoxadiazoles, polyquinoxalines, polythiadiazoles, poly (tetrazapyrene), polyvinylpyridines, polyvinylimidazoles. Preferably, the polymer membrane 16 formed from polybenzimidazole (PBI).

Die Protonenleitung der Polymermembran 16 basiert auf dem Elektrolyten 26, der insbesondere eine Säure sein kann, wie Phosphinsäure, Phosphonsäure, Phosphorsäure, Salpetersäure, Salzsäure, Ameisensäure, Essigsäure, Trifluoressigsäure, Schwefelsäure, Sulfonsäure, eine Alkyl- oder Arylphosphonsäure, eine Alkyl- oder Arylsulfonsäure, insbesondere Methansulfonsäure oder Phenylsulfonsäure. Ebenso kommen Phosphorsäurealkyl- oder -arylester, Heteropolysäuren, wie Hexafluorglutarsäure (HFGA) oder Squarsäure (SA), in Frage. Alternativ kann der Elektrolyt 26 eine Base sein, insbesondere ein Alkali- oder Erdalkalihydroxid, wie Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid oder Lithiumhydroxid. Auch Polysiloxane oder stickstoffhaltige Heterocyclen können als Elektrolyt 22 eingesetzt werden, beispielsweise Imide, Imidazole, Triazole und Derivate von diesen, insbesondere Perfluorsulfonimide und 1-Butyl-3-methyl-imidazolintrifluormethansulfonit. Ebenfalls denkbar ist, eine Mischung verschiedener der vorgenannten Elektrolyte 26 einzusetzen oder Derivate oder Salze von diesen.The proton conduction of the polymer membrane 16 based on the electrolyte 26 which may in particular be an acid, such as phosphinic acid, phosphonic acid, phosphoric acid, nitric acid, hydrochloric acid, formic acid, acetic acid, trifluoroacetic acid, sulfuric acid, sulfonic acid, an alkyl- or arylphosphonic acid, an alkyl- or arylsulfonic acid, in particular methanesulfonic acid or phenylsulfonic acid. Also suitable are phosphoric acid alkyl or aryl esters, heteropolyacids, such as hexafluoroglutaric acid (HFGA) or squarric acid (SA). Alternatively, the electrolyte 26 a base, in particular an alkali or alkaline earth metal hydroxide, such as potassium hydroxide, sodium hydroxide or lithium hydroxide. Polysiloxanes or nitrogen-containing heterocycles can also be used as the electrolyte 22 For example, imides, imidazoles, triazoles and derivatives of these, in particular perfluorosulfonimides and 1-butyl-3-methyl-imidazoline trifluoromethanesulfonite. It is also conceivable, a mixture of various of the aforementioned electrolytes 26 to use or derivatives or salts of these.

Bevorzugt werden Protonenaustauschermembranen eingesetzt, die durch Imprägnierung eines temperaturbeständigen basischen Polymers mit einer Säure gebildet werden. Im vorliegenden Beispiel wird eine PBI-Membran als wasserfreies Trägermaterial verwendet, an der Phosphorsäure als Elektrolyt gebunden vorliegt.Prefers Proton exchange membranes are used by impregnation a temperature resistant basic polymer with a Acid are formed. In the present example, a PBI membrane used as an anhydrous carrier material, is bound to the phosphoric acid as an electrolyte.

An den beiden Seiten der Membran 16 schließt sich jeweils eine Gasdiffusionselektrode 18 an, nämlich eine kathodisch geschaltete Elektrode (Kathode) 18a auf der Kathodenseite der Membran 16 und eine anodisch geschaltete Elektrode (Anode) 18b auf der Anodenseite. Die Gasdiffusionselektroden 18a und 18b umfassen jeweils eine mikroporöse Katalysatorschicht 20a und 20b, die unmittelbar die Polymerelektrolytmembran 16 beidseitig kontaktieren. Die Katalysatorschichten 20a, 20b enthalten als eigentlich reaktive Zentren der Elektroden ein katalytisches Material, bei dem es sich in der Regel um ein Edelmetall als katalytisch wirksame Substanz handelt, wie Platin, Iridium oder Ruthenium. Bevorzugt liegt die katalytische Substanz auf einem porösen, elektrisch leitenden Material geträgert vor. Für das Trägermaterial kommen gasdurchlässige elektrisch leitfähige Kohlenstoffmaterialien, wie etwa gasdurchlässige Partikel, Gewebe und Filze auf Kohlenstoffbasis in Frage. Über das Trägermaterial der Katalysatorschichten 20a und 20b ist eine elektrisch leitfähige Anbindung der Reaktionszentren der Elektroden mit einem äußeren Stromkreis (nicht dargestellt) realisiert. Im vorliegenden Beispiel bestehen die reaktiven Zentren der Katalysatorschichten 20a, 20b aus Platin, das auf Kohlenstoffpartikeln geträgert ist, wobei die Partikel zu einem porösen und damit gasdurchlässigen Verbund aneinander gefügt vorliegen.On the two sides of the membrane 16 each includes a gas diffusion electrode 18 on, namely a cathodically connected electrode (cathode) 18a on the cathode side of the membrane 16 and an anodically connected electrode (anode) 18b on the anode side. The gas diffusion electrodes 18a and 18b each comprise a microporous catalyst layer 20a and 20b directly forming the polymer electrolyte membrane 16 contact on both sides. The catalyst layers 20a . 20b As actually reactive centers of the electrodes contain a catalytic material, which is usually a noble metal as a catalytically active substance, such as platinum, iridium or ruthenium. Preferably, the catalytic substance is supported on a porous, electrically conductive material. For the carrier material gas-permeable electrically conductive carbon materials, such as gas-permeable particles, fabrics and felts carbon-based in question. About the support material of the catalyst layers 20a and 20b is an electrically conductive connection of the reaction centers of the electrodes with an external circuit (not shown) realized. In the present example, the reactive centers of the catalyst layers exist 20a . 20b of platinum supported on carbon particles, the particles being joined together to form a porous and thus gas permeable composite.

Die Gasdiffusionselektroden 18a und 18b umfassen zudem jeweils eine Gasdiffusionsschicht (GDL für gas diffusion layer) 22a und 22b, die an den jeweils äußeren, von der Polymermembran 16 abgewandten Flächen der Katalysatorschicht 20a beziehungsweise 20b anschließen. Funktion der GDL 22a, 22b ist es, eine gleichmäßige Anströmung der Katalysatorschichten 20a, 20b mit den Reaktionsgasen Sauerstoff beziehungsweise Luft auf Kathodenseite und Wasserstoff auf Anodenseite zu gewährleisten. Ferner kann die GDL 18a, 18b angrenzend an die Katalysatorschicht 20a, 20b noch eine dünne mikroporöse Schicht aufweisen (nicht dargestellt), die beispielsweise aus Kohlenstoffpartikeln oder -gewebe besteht. Nicht dargestellt in den 1B und 1C sind zudem so genannte Bipolarplatten (BP), die beidseitig an den MEA-Verbund anschließen und für die Zuleitung der Prozessgase sowie die Ableitung des Produktwassers sorgen und zudem die einzelnen MEA 14 im Brennstoffzellenstapel 12 gasdicht voneinander trennen.The gas diffusion electrodes 18a and 18b each additionally comprise a gas diffusion layer (GDL) 22a and 22b attached to the outer, from the polymer membrane 16 opposite surfaces of the catalyst layer 20a respectively 20b connect. Function of the GDL 22a . 22b it is, a uniform flow of the catalyst layers 20a . 20b to ensure with the reaction gases oxygen or air on the cathode side and hydrogen on the anode side. Furthermore, the GDL 18a . 18b adjacent to the catalyst layer 20a . 20b still have a thin microporous layer (not shown), which consists for example of carbon particles or tissue. Not shown in the 1B and 1C are also so-called bipolar plates (BP), which connect to both sides of the MEA composite and provide for the supply of process gases and the discharge of product water and also the individual MEA 14 in the fuel cell stack 12 separate gas-tight from each other.

Um eine Beladung der Polymermembran 24 mit dem zumindest einen Elektrolyten 26 zu erzielen, wird die Polymermembran 24 üblicherweise nach ihrer Herstellung und vor dem Zusammenbau der MEA 14 imprägniert. Hierzu wird gemäß dem Stand der Technik die Polymermembran 24 in eine Lösung des Elektrolyten 26 oder – im Falle eines Flüssigelektrolyten – direkt in diesen gelegt oder getaucht. Hierbei kommt es zu einem örtlich ungleichmäßigen Quellen der Polymermembran 24. Diese Volumenzunahme führt bei der nur wenige μm-dicken Membran häufig zu örtlichen Materialauflösungen und Spannungsrissbildungen. Problematisch kommt hinzu, dass derartige Materialschäden häufig nicht visuell erkennbar sind und somit erst nach dem Zusammenbau der MEA 14 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 12 anhand dessen Fehlfunktion zu erkennen sind. Zudem führt die herkömmliche Imprägnierungsmethode nur zu relativ geringen und zudem unreproduzierbaren Beladungsraten. Da sich die elektrische Leistung der Brennstoffzelle 10 aber direkt proportional zur Menge aufgenommenen Elektrolyts 26 verhält, sind sowohl hohe als auch vorhersagbare Beladungsraten erwünscht.To a loading of the polymer membrane 24 with the at least one electrolyte 26 to achieve the polymer membrane 24 usually after their manufacture and before assembly of the MEA 14 impregnated. For this purpose, according to the prior art, the polymer membrane 24 in a solution of the electrolyte 26 or - in the case of a liquid electrolyte - placed directly in this or immersed. This results in a locally uneven swelling of the polymer membrane 24 , This volume increase often leads to local material dissolution and stress cracking in the membrane, which is only a few μm thick. Another problem is that such material damage is often not visually recognizable and thus only after assembly of the MEA 14 or the fuel cell stack 12 can be identified by its malfunction. In addition, the conventional impregnation method only leads to relatively low and also unreproducible loading rates. As is the electric power of the fuel cell 10 but directly proportional to the amount of electrolyte absorbed 26 behave, both high and predictable loading rates are desired.

Um diese Probleme zu beheben, wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Polymermembran 24 während ihrer Imprägnierung zwischen zwei Trägerfolien gelagert, die eine mechanische Stabilisierung der Membran 24 gewährleisten und infolge eines gleichmäßigen beidseitig Anpressdrucks auf die Membranflächen ein gleichmäßiges und schonendes Aufquellen der Polymermembran 24 bewirken. Dieses Verfahren soll nachfolgend in konkreten Beispielen erläutert werden.To remedy these problems, according to the inventive method, the polymer membrane 24 during their impregnation between two carrier foils stored, which is a mechanical stabilization of the membrane 24 ensure and as a result of a uniform pressure on both sides on the membrane surfaces a uniform and gentle swelling of the polymer membrane 24 cause. This method will be explained below in concrete examples.

Ausführungsvariante 1:Variant 1:

Eine Rohmembran wird entsprechend der Zellgröße der MEA zugeschnitten, vermessen und gewogen. Anschließend wird die Membran zwischen zwei polymeren, lösungsmitteldurchlässigen Trägerfolien, die optional zuvor mit einer 5 bis 95 Gew.-%-igen Lösung des Elektrolyten benetzt werden können, gelegt. Wichtig hierbei ist, dass die Flächenabmessungen der Trägerfolien mindestens denen der Membran entsprechen, das heißt die Membran vollflächig von den Trägerfolien eingeschlossen und stabilisiert wird. Das Gebilde aus Polymermembran und den beidseitig an dieser anschließenden Trägerfolien wird dann in ein geeignetes Gefäß gelegt, welches dann mit der Elektrolytlösung aufgefüllt wird derart, dass die stabilisierenden Trägerfolien mit der Elektrolytlösung in Kontakt stehen. Nach Schließen des Gefäßes wird ein leichtes, auf den Elektrolyten, insbesondere auf dessen Siedepunkt, anzupassendes Vakuum angelegt und bei einer Temperatur oberhalb der Raumtemperatur für zumindest 5 min gehalten. Anschließend werden Reste des Elektrolyten von der Membranoberfläche durch vorsichtiges Abtupfen entfernt und die imprägnierte Membran vermessen und ausgewogen. Der Dotierungsgrad (Masse aufgenommener Elektrolyte pro Membranfläche) und Quellung der Membran werden berechnet.A Raw membrane is determined according to the cell size MEA tailored, measured and weighed. Subsequently the membrane is between two polymeric, solvent-permeable Carrier films, optionally with a previously 5 to 95 wt .-% - Solution of the electrolyte can be wetted, placed. Important here is that the area dimensions the carrier foils correspond at least to those of the membrane, that is, the membrane over the entire surface of the carrier films enclosed and stabilized. The structure of polymer membrane and on both sides of this subsequent carrier films is then placed in a suitable vessel, which then filled with the electrolyte solution becomes such that the stabilizing carrier foils with the electrolyte solution stay in contact. After closing the vessel becomes a light on the electrolyte, especially on its Boiling point, applied vacuum and at a temperature kept above room temperature for at least 5 minutes. Subsequently, residues of the electrolyte from the membrane surface removed by gentle blotting and the impregnated Diaphragm measured and balanced. The degree of doping (mass of absorbed Electrolytes per membrane area) and swelling of the membrane are being calculated.

Ausführungsvariante 2:Variant 2:

Die Imprägnierung wird wie gemäß Beispiel 1 beschrieben durchgeführt außer, dass der Elektrolytlösung ein das Membranmaterial quellendes Lösungsmittel zugegeben wird.The Impregnation is as in Example 1 described except that the electrolyte solution a solvent swelling the membrane material is added becomes.

Ausführungsvariante 3:Variant 3:

Eine wie in Beispiel 1 imprägnierte Membran wird ein weiteres Mal in gleicher Weise nachimprägniert. Dabei kann die Nachimprägnierung entweder mit dem gleichen Elektrolyt oder mit einem unterschiedlichen, zweiten oder weiteren Elektrolyten erfolgen.A as in Example 1 impregnated membrane will be another Repeatedly reimpregnated in the same way. In this case, the Nachimprägnierung either with the same electrolyte or with a different, second or further electrolytes.

Ausführungsvariante 4:Variant 4:

Die Imprägnierung einer trockenen oder bereits vorbehandelten Membran erfolgt wie gemäß Beispiel 1 beschrieben außer, dass statt eines Vakuums ein Überdruck angelegt wird. Der Überdruck liegt hier insbesondere bei mindestens 1000 mbar.The Impregnation of a dry or pre-treated Membrane is carried out as described in Example 1 except that instead of a vacuum, an overpressure is created. The overpressure is here in particular at at least 1000 mbar.

Beispiel 5.Example 5.

Die Imprägnierung einer trockenen oder bereits vorbehandelten Membran erfolgt wie gemäß Beispiel 1 beschrieben außer, dass diese nicht bei einem konstanten Druck, sondern bei einem insbesondere periodischen Druckwechsel mit einander abwechselnden Über- und Unterdruckintervallen durchgeführt wird.The Impregnation of a dry or pre-treated Membrane is carried out as described in Example 1 except that these are not at a constant pressure, but In particular, a periodic pressure change with alternating over- and vacuum intervals is performed.

1010
Brennstoffzellefuel cell
1212
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
1414
Membran-Elektroden-Einheit (MEA)Membrane-electrode assembly (MEA)
1616
PolymerelekrolytmembranPolymerelekrolytmembran
18a18a
kathodische Gasdiffusionselektrode (Kathode)cathodic Gas diffusion electrode (cathode)
18b18b
anodische Gasdiffusionselektrode (Anode)anodic Gas diffusion electrode (anode)
20a20a
kathodenseitige Katalysatorschichtcathode side catalyst layer
20b20b
anodenseitige Katalysatorschichtanode side catalyst layer
22a22a
kathodenseitige Gasdiffusionsschicht (GDL)cathode side Gas diffusion layer (GDL)
22b22b
anodenseitige Gasdiffusionsschicht (GDL)anode side Gas diffusion layer (GDL)
2424
Polymermaterialpolymer material
2626
Elektrolytelectrolyte

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Claims (11)

Verfahren zur Herstellung einer Polymerelektrolytmembran (16), wobei eine Polymermembran (24) mit zumindest einem flüssigen oder gelösten Elektrolyten (26) imprägniert wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Imprägnierung die Polymermembran (24) zwischen zwei beidseitig an der Polymermembran (24) flächig anliegenden, mit dem zumindest einen Elektrolyten (26) benetzten und/oder getränkten Trägerfolien gelagert wird.Process for the preparation of a polymer electrolyte membrane ( 16 ), wherein a polymer membrane ( 24 ) with at least one liquid or dissolved electrolyte ( 26 ) is impregnated, characterized in that during the impregnation the polymer membrane ( 24 ) between two on both sides of the polymer membrane ( 24 ) lie flat against, with the at least one electrolyte ( 26 ) and / or impregnated carrier foils is stored. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolien durchlässig für den Elektrolyten (26) oder seine Lösung sind.A method according to claim 1, characterized in that the carrier films are permeable to the electrolyte ( 26 ) or its solution. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolien aus einem Polymermaterial bestehen.Method according to claim 1 or 2, characterized the carrier foils consist of a polymer material. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Imprägnierung die Polymermembran (24) und/oder der Elektrolyt (26) zumindest zeitweise mit einem vom Umgebungsdruck unterschiedlichen Prozessdruck beaufschlagt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that during the impregnation the polymer membrane ( 24 ) and / or the electrolyte ( 26 ) are at least temporarily acted upon by a different process pressure from the ambient pressure. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessdruck zumindest zeitweise höher als der Umgebungsdruck ist.Method according to claim 4, characterized in that that the process pressure at least temporarily higher than the Ambient pressure is. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessdruck zumindest zeitweise niedriger als der Umgebungsdruck ist.Method according to claim 4, characterized in that that the process pressure is at least temporarily lower than the ambient pressure is. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermembran (24) und/oder der Elektrolyt (26) während der Imprägnierung alternierend mit einem Unter- und einem Überdruck beaufschlagt werden.Method according to one of claims 4 to 6, characterized in that the polymer membrane ( 24 ) and / or the electrolyte ( 26 ) are applied alternately during the impregnation with a negative pressure and an overpressure. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymermembran (24) und/oder dem Elektrolyten (26) ein die Polymermembran (24) quellendes Lösungsmittel zugegeben wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the polymer membrane ( 24 ) and / or the electrolyte ( 26 ) a polymer membrane ( 24 ) swelling solvent is added. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermembran (16) aus einem Polymermaterial gebildet ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Polyazole und Polyphosphazene, insbesondere Polybenzimidazole, Polypyridine, Polypyrimidine, Polyimidazole, Polybenzthiazole, Polybenzoxazole, Polyoxadiazole, Polychinoxaline, Polythiadiazole, Poly(tetrazapyrene), Polyvinylpyridine, Polyvinylimidazole, Polysiloxane.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the polymer membrane ( 16 ) is formed from a polymer material which is selected from the group comprising polyazoles and polyphosphazenes, in particular polybenzimidazoles, polypyridines, polypyrimidines, polyimidazoles, polybenzothiazoles, polybenzoxazoles, polyoxadiazoles, polyquinoxalines, polythiadiazoles, poly (tetrazapyrene), polyvinylpyridines, polyvinylimidazoles, polysiloxanes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Elektrolyt (22) ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Säuren, insbesondere Phosphinsäure, Phosphonsäure, Phosphorsäure, Phosphorsäurealkyl- oder -arylester, Schwefelsäure, Sulfonsäuren, Alkyl- und Arylphosphonsäuren, Alkyl- und Arylsulfonsäuren, Salpetersäure, Salzsäure, Ameisensäure, Essigsäure, Trifluoressigsäure; Heteropolysäuren, wie Hexafluorglutarsäure (HFGA) und Squarsäure (SA); und Basen, insbesondere Alkali- und Erdalkalihydroxide; stickstoffhaltige Heterocyclen, insbesondere Imide, Imidazole, Triazole, und Derivaten von diesen; und Polysiloxane.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one electrolyte ( 22 ) is selected from the group comprising acids, in particular phosphinic acid, phosphonic acid, phosphoric acid, alkyl or aryl phosphates, sulfuric acid, sulfonic acids, alkyl and aryl phosphonic acids, alkyl and aryl sulfonic acids, nitric acid, hydrochloric acid, formic acid, acetic acid, trifluoroacetic acid; Heteropolyacids such as hexafluoroglutaric acid (HFGA) and squarric acid (SA); and bases, especially alkali and alkaline earth hydroxides; nitrogen-containing heterocycles, in particular imides, imidazoles, triazoles, and derivatives of these; and polysiloxanes. Polymerelektrolytmembran (16) hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 10.Polymer electrolyte membrane ( 16 ) prepared according to any one of claims 1 to 10.
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