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
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
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
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:
Wie
aus den
Die
Protonenleitung der Polymermembran
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
Die
Gasdiffusionselektroden
Um
eine Beladung der Polymermembran
Um
diese Probleme zu beheben, wird gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren die Polymermembran
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.
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- Brennstoffzellefuel cell
- 1212
- Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
- 1414
- Membran-Elektroden-Einheit (MEA)Membrane-electrode assembly (MEA)
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- 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
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- 22b22b
- anodenseitige Gasdiffusionsschicht (GDL)anode side Gas diffusion layer (GDL)
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- Polymermaterialpolymer material
- 2626
- Elektrolytelectrolyte
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