DE102007031280A1 - Gas diffusion electrode with membrane-electrode-unit for high temperature fuel cells based on membrane for traction system, has gas diffusion layer and catalyst layer is impregnated with another electrolyte and has hydrophobic material - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Gasdiffusionselektrode und eine diese enthaltende Membran-Elektroden-Einheit (MEA) für eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle.The The invention relates to a gas diffusion electrode and to a gas diffusion electrode Membrane electrode unit (MEA) for a fuel cell, in particular a high-temperature fuel cell.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung von Wasserstoff H2 und Sauerstoff O2 zu Wasser H2O, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Gasdiffusionselektrode (Anode und Kathode) ist. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 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 zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. 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 conversion of hydrogen H 2 and oxygen O 2 to water H 2 O 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 is a composite of a proton-conducting membrane and each on both sides of the membrane arranged gas diffusion electrode (anode and cathode). As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked MEAs whose electrical powers add up. During operation of the fuel cell, hydrogen or a hydrogen-containing gas mixture is supplied to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with 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, so that a reduction of O 2 to O 2 takes place with absorption of the electrons. At the same time, these oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water. 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 Elektroden weisen jeweils eine, der Membran zugewandte Katalysatorschicht auf, die auf einem gasdurchlässigen Substrat, der so genannten Gasdiffusionsschicht (GDL für gas diffusion layer), zur homogenen Zufuhr der Reaktionsgase aufgebracht ist. Die Katalysatorschicht enthält reaktive Zentren, die in der Regel aus Platin als katalytisch wirksame Komponente besteht, welches auf einem elektrisch leitenden porösen Trägermaterial, beispielsweise Kohlenstoffpartikeln, geträgert vorliegt. Zur effizienten Umwandlung der chemischen Energie der Reaktionskomponenten müssen die Reaktionszentren drei Voraussetzungen gleichzeitig erfüllen. Zunächst muss eine elektrisch leitfähige Anbindung der Reaktionszentren der Elektroden mit einem äußeren Stromkreis vorhanden sein. Zweitens müssen die Reaktionszentren ionisch leitfähig mit der Membran verbunden sein, um mit einer hohen Transportrate mit Protonen versorgt werden zu können beziehungsweise Protonen abführen zu können. Drittens müssen die Reaktionszentren einen guten Zugang zu den Reaktionsgasen haben.The Each electrode has a catalyst layer facing the membrane on top of a gas-permeable substrate, the so-called gas diffusion layer (GDL for gas diffusion layer), for the homogeneous supply of Reaction gases is applied. The catalyst layer contains reactive centers, which are usually made of platinum as catalytically active Component which is on an electrically conductive porous Support material, such as carbon particles, supported is present. For the efficient conversion of the chemical energy of the Reaction components, the reaction centers need three conditions at the same time. First, an electric conductive connection of the reaction centers of the electrodes be present with an external circuit. Secondly The reaction centers must be ionically conductive be connected to the membrane, with a high transport rate to be supplied with protons or To be able to dissipate protons. Third, must the reaction centers have good access to the reaction gases.
Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polyelektrolyt besteht. Die geläufigste PEM ist eine Membran aus einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion; Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Sulfonylsäurefluorid-Derivat eines Perfluoralkylvinylethers). Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von flüssigem Wasser Bedingung ist. Hierdurch ergibt sich eine Reihe von Nachteilen. 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 Normaldruck 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.The currently the most advanced fuel cell technology based on polymer electrolyte membranes (PEM) where the membrane itself consists of a polyelectrolyte. The most common PEM is a membrane of a sulfonated polytetrafluoroethylene copolymer (Trade name: Nafion; copolymer of tetrafluoroethylene and a Sulfonyl fluoride derivative of a perfluoroalkyl vinyl ether). The electrolytic line takes place via hydrated Protons take place, which is why for the proton conductivity the presence of liquid water is condition. hereby There are a number of disadvantages. Such is the operation of the PEM fuel cell moistening the operating gases required, resulting in a high overhead means. If there is a failure of the humidification system, are Power losses and irreversible damage to the membrane-electrode assembly the episode. Furthermore, the maximum operating temperature of these Nafion membrane fuel cells - too due to the lack of thermal stability of the membranes - at Normal pressure limited to below 100 ° C. For However, the mobile as well as the stationary use are Operating temperatures above 100 ° C for many reasons desirable. This increases the heat transfer with increasing difference to the ambient temperature and allows a better cooling of the fuel cell stack. Further take the catalytic activity of the electrodes as well as the tolerance against contamination of the combustion gases with rising Temperature too. At the same time, the viscosity of the electrolytic decreases Substances with increasing temperature and improves the mass transfer to the reactive centers of the electrodes. Finally falls at temperatures above 100 ° C, the resulting product water gaseous and can better dissipated from the reaction zone be such that in the gas diffusion layer existing gas transport paths (Pores and mesh) are kept free and also a washout the electrolytes and electrolyte additives is prevented.
Zur Überwindung
dieser Probleme sind Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen
(HT-PEM- oder kurz HTM-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 oder anderen komplexiert sind, in
Die HTM-Brennstoffzellen besitzen zwar den Vorteil relativ hoher Betriebstemperaturen, weisen jedoch das Problem auf, dass ein Absenken der Temperatur unterhalb der Siedetemperatur von Wasser, wie es etwa beim Start der Brennstoffzelle oder beim Abschalten des Systems vorkommt, zu irreversiblen Schädigungen der MEA führen kann. Dies liegt am flüssig anfallenden Produktwasser, welches den an der Membran gebundenen Elektrolyten auswäscht und austrägt, so dass nicht mehr genug Ladungsträger für den Protonentransport zur Verfügung stehen. Die optimale Betriebstemperatur heutiger HTM-Brennstoffzellen liegt daher bei 160°C und die Hersteller empfehlen, die Betriebstemperaturen stets oberhalb von 120°C zu halten und die Zellen bei tieferen Temperaturen stromlos zu halten. Gerade für mobile Einsätze in Kraftfahrzeugen ist aber ein breites Temperaturfenster beginnend bei Raumtemperatur oder unterhalb davon bis zu Temperaturen deutlich oberhalb von 100°C wünschenswert.The Although HTM fuel cells have the advantage of relatively high operating temperatures, However, they have the problem that lowering the temperature below the boiling point of water, such as when starting the fuel cell or when switching off the system occurs to irreversible damage to the MEA. This is due to the liquid product water, which washes the membrane bound to the electrolyte and discharges, so that no longer enough charge carriers be available for proton transport. The optimum operating temperature of today's HTM fuel cells therefore at 160 ° C and the manufacturers recommend the operating temperatures Always keep above 120 ° C and lower the cells Keep temperatures de-energized. Especially for mobile applications in motor vehicles, however, a broad temperature window is starting at room temperature or below, up to temperatures significantly above 100 ° C desirable.
Aus
Für
das System PBI/H3PO4 beschreibt
Grundsätzlich
ist bei allen derartigen MEA-Systemen zudem ein reversibler Leistungseinbruch
bei Temperaturabsenkung festzustellen, der bei zunehmender Temperatur
wieder verschwindet. Dieser Leistungsabfall bei Temperaturabsenkung
ist einerseits auf die Ausbildung einer Diffusionshemmung zurückzuführen,
die zu einem ungenügenden Gastransport zu den Elektroden,
insbesondere des Sauerstofftransports zur Kathode führt.
Ein entsprechendes Verhalten ist von phosphorsauren Brennstoffzellen
(PAFC) bekannt (z. B.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasdiffusionselektrode und eine Membran-Elektroden-Einheit für Brennstoffzellen bereitzustellen, die gegenüber bekannten Systemen eine bessere Leistung bei tiefen Temperaturen aufweisen, insbesondere bei Temperaturen unterhalb von 100°C, und zudem keine irreversiblen Degradationserscheinungen infolge Betriebstemperaturen unterhalb 100°C zeigen. Insgesamt soll die MEA somit über ein breiteres Temperaturfenster einsetzbar sein.Of the The invention is therefore based on the object, a gas diffusion electrode and a membrane electrode assembly for fuel cells provide better than known systems Have low temperature performance, especially at temperatures below 100 ° C, and also no irreversible degradation phenomena due to operating temperatures below 100 ° C show. All in all So the MEA should have a wider temperature window be usable.
Diese Aufgabe wird durch eine Gasdiffusionselektrode und eine die Gasdiffusionselektrode enthaltende Membran-Elektroden-Einheit (MEA) mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode, die mit Vorteil in einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle basierend auf Membranen, welche mit einem ersten Elektrolyten imprägnierten sind, einsetzbar ist, umfasst eine Gasdiffusionsschicht (GDL) und eine auf der Gasdiffusionsschicht angeordnete poröse Katalysatorschicht, die ein elektrisch leitfähiges Trägermaterial und zumindest ein, auf das Trägermaterial aufgebrachtes katalytisches Material aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Katalysatorschicht mit zumindest einem zweiten Elektrolyten imprägniert ist und zumindest ein hydrophobes Material enthält.These The object is achieved by a gas diffusion electrode and a gas diffusion electrode containing Membrane Electrode Unit (MEA) with the characteristics of independent Claims solved. The inventive Gas diffusion electrode, which is advantageously based in a high-temperature fuel cell on membranes which impregnated with a first electrolyte can be used, comprises a gas diffusion layer (GDL) and a porous catalyst layer disposed on the gas diffusion layer, the an electrically conductive substrate and at least one, applied to the substrate comprising catalytic material. According to the invention provided that the catalyst layer with at least a second Electrolyte is impregnated and at least one hydrophobic Contains material.
Durch den Einsatz zumindest eines zweiten Elektrolyten in der Elektrode, der in flüssiger, gelöster oder fester Form vorliegen kann, etwa auch in Form von Phosphorsäure mit einem weiteren Elektrolytzusatz, gelingt es, die Diffusionshemmung, insbesondere von Sauerstoff, bei niedrigen Temperaturen herabzusetzen, so dass eine mit den erfindungsgemäßen Elektroden bestückte MEA auch bei geringen Temperaturen hohe Leistungsdichten erbringt. Zudem wird auch im Langzeitbetrieb nur eine sehr geringe irreversible Degradation beobachtet, die durch Auswaschen des ersten Elektrolyten aus der Membran hervorgerufen wird. Diese Eigenschaften lassen sich einerseits auf die durch den zweiten Elektrolyten bedingte hohe Säurestärke und damit hohe Protonenkonzentration in der Einbringungszone der Protonen zurückführen und andererseits auf niedrige intermolekulare Abstände der Elektrolytmoleküle in der Elektrode, die zu hohen Protonentransportraten führen. Entscheidend scheint jedoch die durch den zweiten Elektrolyten bedingte hohe Löslichkeit und Diffusionsrate für den Stofftransport der Reaktanden zu sein, insbesondere von Sauerstoff, so dass die katalytischen Zentren der Elektroden auch bei niedrigen Temperaturen eine gute Versorgungssituation aufweisen. Darüber hinaus weist der Elektrolyt in der Elektrode eine Sperrfunktion beziehungsweise eine Funktion als "Säurefänger" für den ersten Elektrolyten der Membran auf und verhindert ein Aus- und Nachströmen des Elektrolyten der Membran, so dass diese ein verlangsamtes Degradationsverhalten zeigt. Der zweite Elektrolyt kann der gleiche sein wie der erste, in der Membran enthaltene Elektrolyt oder unterschiedlich zu diesem gewählt.Through the use of at least one second electrolyte in the electrode, which may be in liquid, dissolved or solid form, for example in the form of phosphoric acid with a further addition of electrolyte, it is possible to reduce the diffusion inhibition, in particular of oxygen, at low temperatures, so that an equipped with the electrodes according to the invention MEA provides high power densities even at low temperatures. In addition, only a very small irreversible degradation is observed in long-term operation, which is caused by washing out of the first electrolyte from the membrane. These properties can be attributed on the one hand to the high acid strength caused by the second electrolyte and thus to the high proton concentration in the introduction zone of the protons and, on the other hand, to low intermolecular distances of the electrolyte molecules in the electrode leading to high proton transport rates. However, the decisive factor seems to be the two th electrolyte to be high solubility and diffusion rate for the mass transfer of the reactants, in particular of oxygen, so that the catalytic centers of the electrodes have a good supply situation even at low temperatures. In addition, the electrolyte in the electrode has a blocking function or a function as "acid scavenger" for the first electrolyte of the membrane and prevents outflow and subsequent flow of the electrolyte of the membrane, so that it shows a slowed degradation behavior. The second electrolyte may be the same as or different than the first electrolyte contained in the membrane.
Durch das Einbringen des hydrophoben Materials in die Katalysatorschicht wird andererseits der Abtransport des bei niedrigen Temperaturen flüssig anfallenden Produktwassers durch die GDL nach außen beschleunigt, bevor das Wasser den Elektrolyten aus der Membran oder der Katalysatorschicht auszutragen vermag. Durch den verbesserten Abtransport des Produktwassers werden zudem die Gasdiffusionswege freigehalten, wodurch auch die Versorgung der Elektroden mit den Reaktionsgasen verbessert wird. Dieser Effekt kommt vor allem an der Kathode zum Tragen, da die Diffusion von Sauerstoff zu den langsamsten und damit geschwindigkeitsbestimmenden Schritten der Brennstoffzellenprozesse gehört. Es findet eine Verringerung der Diffusionshemmung der Reaktionsgase sowie der Protonen in der Katalysatorschicht statt. Im Ergebnis wird eine erhöhte elektrische Leistung der erfindungsgemäßen MEA beziehungsweise einer diese enthaltenden Brennstoffzelle über den gesamten Temperaturbereich, insbesondere bei tiefen Temperaturen unterhalb von 100°C, erzielt.By the introduction of the hydrophobic material into the catalyst layer on the other hand, the removal of the at low temperatures liquid product water through the GDL to the outside accelerates before the water releases the electrolyte from the membrane or the catalyst layer can discharge. By the improved The product water is also removed by the gas diffusion paths kept free, whereby the supply of the electrodes with the Reaction gases is improved. This effect is especially important the cathode to carry, since the diffusion of oxygen to the slowest and thus speed-determining steps of the fuel cell processes belongs. There is a reduction in the diffusion inhibition of Reaction gases and the protons in the catalyst layer instead. As a result, an increased electric power of the MEA according to the invention or one of these containing fuel cell over the entire temperature range, especially at low temperatures below 100 ° C, achieved.
Während der Einsatz des hydrophoben Materials in der Elektrode ohne deren Imprägnierung mit dem zweiten Elektrolyten zu einer gewissen Abnahme der Leistungsdichte bei höheren Betriebstemperaturen aufgrund der isolierenden und wasserabweisenden und damit austrocknenden Wirkung des hydrophoben Materials führt, wird dieser Nachteil durch den erfindungsgemäßen Zusatz des zweiten Elektrolyten kompensiert, so dass die Kombination beider Komponenten eine synergistische Wirkung zeigt.While the use of the hydrophobic material in the electrode without their Impregnation with the second electrolyte to a certain Decrease in power density at higher operating temperatures due to the insulating and water-repellent and thus drying out Effect of the hydrophobic material leads, this disadvantage by the addition of the second invention Electrolytes compensated, allowing the combination of both components shows a synergistic effect.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter "Hydrophobizität" die Eigenschaft eines Materials verstanden, polare Substanzen, insbesondere Wasser, abzustoßen, das heißt die Tendenz, eine möglichst geringe Kontaktfläche zwischen einer Oberfläche des Materials und Wasser auszubilden. Dabei steigt die Hydrophobizität mit abnehmender Polarität des Materials. Genauer wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Begriff "Hydrophobizität" durch einen Kontaktwinkel von zumindest 90° eines Wassertropfens auf einer planaren Oberfläche des Materials definiert. Als Kontaktwinkel wird hier der Winkel bezeichnet, den ein Wassertropfen auf der Oberfläche des Materials ausbildet, wobei der Kontaktwinkel zwischen einer tangential den Tropfenrand berührenden Geraden und der Kontaktfläche gemessen wird. Dabei ist der Kontaktwinkel umso kleiner, je weniger hydrophob (d. h. je hydrophiler und polarer) das Material ist, und nimmt mit zunehmender Hydrophobizität des Materials zu. Noch vorteilhafter sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung hydrophobe Materialien, die eine Hydrophobizität entsprechend einem Kontaktwinkel mit Wasser von mindestens 100°, vorzugsweise von mindestens 110°, aufweisen.in the Within the scope of the present invention, the term "hydrophobicity" understood the property of a material, polar substances, especially water, repel, that is the tendency, one as possible low contact surface between a surface of material and water. The hydrophobicity increases with decreasing polarity of the material. Exactly in the Under the present invention, the term "hydrophobicity" by a contact angle of at least 90 ° of a water drop defined on a planar surface of the material. As the contact angle here the angle is called, which is a drop of water formed on the surface of the material, the contact angle between a straight tangent to the drop edge touching and the contact area is measured. Here is the contact angle the smaller, the less hydrophobic (i.e., the more hydrophilic and polar) the Material is, and decreases with increasing hydrophobicity of the material too. Even more advantageous are in the context of the present Invention hydrophobic materials that have a hydrophobicity according to a contact angle with water of at least 100 °, preferably at least 110 °.
Mit Vorteil wird das hydrophobe Material unter Werkstoffen gewählt, die chemisch und thermisch beständig sind und eine im Sinne der Erfindung ausreichende Hydrophobizität aufweisen. Diese Eigenschaften weisen Graphite und nicht substituierte, vollständig oder teilweise Halogenid-substituierte Polyolefine, insbesondere Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), auf, aus denen das mindestens eine hydrophobe Material bevorzugt gewählt wird. Von diesen ist PTFE besonders bevorzugt.With Advantage the hydrophobic material is chosen among materials, which are chemically and thermally stable and one in the sense the invention have sufficient hydrophobicity. These Properties have graphites and unsubstituted, complete or partially halide-substituted polyolefins, in particular Polypropylene (PP), polyethylene (PE), polytetrafluoroethylene (PTFE), Polyvinylidene fluoride (PVDF), on which the at least one hydrophobic Material is preferably selected. Of these, PTFE is special prefers.
Hinsichtlich des Massenanteils des zumindest einen hydrophoben Materials hat sich ein Bereich von 0,5 bis 50 Gew.-%, insbesondere von 5 bis 35 Gew.-%, vorzugsweise von 10 bis 20 Gew.-%, bezogen auf die Summe der Masse des katalytischen Materials (Edelmetall) und des Katalysatorträgers (beispielsweise Pt/C) als vorteilhaft erwiesen. Dabei beziehen sich diese Angaben – im Falle mehrerer hydrophober Materialien – auf die Summe aller vorhandenen hydrophoben Materialien. Liegt der Massenanteil des hydrophoben Materials unterhalb von 0,5 Gew.-%, ist der erfindungsgemäße Abtransporteffekt des Wassers zu gering. Liegt er oberhalb von 50 Gew.-%, verschlechtert sich die Leistung der MEA bei höheren Temperaturen, was auf eine Zunahme des elektrischen Widerstandes der Elektroden und ein Austrocknen der Membran zurückzuführen ist, da das anfallende Produktwasser aufgrund seiner erhöhten Abtransportrate nicht in die Membran diffundieren kann und die meisten hydrophoben Materialen aufgrund ihrer isolierenden Eigenschaften die Leitfähigkeit zu den Katalysatorpartikeln verringern.Regarding the mass fraction of the at least one hydrophobic material has a range of 0.5 to 50 wt .-%, in particular from 5 to 35 Wt .-%, preferably from 10 to 20 wt .-%, based on the sum the mass of the catalytic material (precious metal) and the catalyst support (for example Pt / C) proved to be advantageous. This information refers to - in Trap of several hydrophobic materials - on the sum all existing hydrophobic materials. Lies the mass fraction of the hydrophobic material below 0.5 wt .-%, is the inventive Transport effect of the water too low. If it is above 50% by weight, the performance of the MEA deteriorates at higher temperatures, due to an increase in the electrical resistance of the electrodes and cause the membrane to dry out is because the accumulated product water due to its increased Abtransportrate can not diffuse into the membrane and most hydrophobic materials due to their insulating properties reduce the conductivity to the catalyst particles.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das zumindest eine hydrophobe Material innerhalb der Katalysatorschicht einen stufenweise oder graduellen Konzentrationsgradienten auf, wobei die Konzentration von der Membranseite in Richtung der GDL-Seite der Katalysatorschicht zunimmt. Auf diese Weise wird membranseitig aufgrund der geringeren Hydrophobizität der Katalysatorschicht eine optimale Anbindung an die (hydrophile) Membran gewährleistet, während auf Seite der GDL aufgrund der höheren Hydrophobizität eine optimale Abführung des Produktwassers sichergestellt ist. Denkbar ist auch, die beiden Elektroden (Anode und Kathode) innerhalb einer Membran-Elektroden-Einheit mit unterschiedlichen Gradienten des hydrophoben Materials zu gestalten.According to a preferred embodiment of the invention, the at least one hydrophobic material within the catalyst layer has a gradual or gradual concentration gradient, the concentration increasing from the membrane side in the direction of the GDL side of the catalyst layer. In this way, an optimal connection to the (hydrophilic) membrane is ensured on the membrane side due to the lower hydrophobicity of the catalyst layer, while on the GDL side due to the higher hydrophobicity an optimal Removal of product water is ensured. It is also conceivable to design the two electrodes (anode and cathode) within a membrane-electrode assembly with different gradients of the hydrophobic material.
Ebenso kann mit Vorteil vorgesehen sein, dass auch der zumindest eine zweite Elektrolyt der Elektrode, der mit Vorteil polymergebunden vorliegen kann (s. u.), einen stufenweise oder graduell variierenden Gehalt innerhalb der Katalysatorschicht oder auch innerhalb der GDL aufweist, wobei in diesem Fall der Elektrolytgehalt von der Membranseite der Katalysatorschicht in Richtung der GDL-Seite vorzugsweise abnimmt. Somit wird membranseitig eine besonders hohe Protonenleitfähigkeit der Katalysatorschicht erzielt.As well can be provided with advantage that also the at least one second Electrolyte of the electrode, which may be polymer bound with advantage (see below), a gradual or gradually varying content within the catalyst layer or within the GDL, wherein in this case, the electrolyte content from the membrane side of the catalyst layer preferably decreases in the direction of the GDL side. Thus, the membrane side a particularly high proton conductivity of the catalyst layer achieved.
Das
zumindest eine hydrophobe Material kann in unterschiedlichen Formen
in der Katalysatorschicht vorliegen. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung liegt das hydrophobe Material weitgehend "dispers"
innerhalb der Katalysatorschicht verteilt vor, das heißt
in einer mehr oder weniger homogenen Mischung mit den übrigen
Bestandteilen der Katalysatorschicht, insbesondere dem Trägermaterial
und dem auf diesem fixierten katalytischen Material. Beispielsweise
kann das hydrophobe Material in Form von homogen verteilten Mikro-
oder Nanopartikeln oder als Polymerfasern, welche die Katalysatorschicht
durchsetzen, vorliegen. Die Darstellung einer solchen dispers durchsetzten Katalysatorschicht
kann in einfacher Weise aus einer Elektrodenpaste, wie in
Alternativ
kann das zumindest eine hydrophobe Material die Katalysatorschicht
schichtförmig durchsetzen, wobei es in Form von zumindest
einer Schicht, vorzugsweise mehrerer Schichten vorliegt, welche
insbesondere im Wesentlichen planparallel zur Gasdiffusionsschicht
ausgerichtet sind. In diesem Fall weist die Katalysatorschicht einen
schichtförmigen Aufbau auf, in dem sich dünne
Schichten des hydrophoben Materials und Schichten enthaltend das Trägermaterial
und das katalytische Material (und optional eine polymere Binderkomponente)
abwechseln. Dabei ist bevorzugt in den Schichten des hydrophoben
Materials neben dem hydrophoben Material eine leitfähige
Komponente (beispielsweise Graphit oder ein insbesondere katalytisches
Metall) enthalten, um die Leitfähigkeit dieser Schichten
zu verbessern. Die Darstellung derartiger Schichtstrukturen kann
etwa mittels Siebdruck-, Sprüh- oder Walzverfahren oder
Kombinationen von diesen erfolgen, wobei die porösen Katalysatorschichten
wiederum entsprechend
Die Einbringung des zweiten Elektrolyten in die Gasdiffusionselektrode kann entweder nachträglich erfolgen, indem die beispielsweise wie vorstehend beschrieben hergestellte Katalysatorschicht, die das hydrophobe Material enthält, beziehungsweise die Gasdiffusionselektrode nachträglich mit dem Elektrolyten imprägniert wird. Alternativ kann der zweite Elektrolyt von vornherein bereits beim Herstellungsvorgang der Katalysatorschicht eingebracht werden, beispielsweise indem der Elektrolyt neben den übrigen, oben genannten Bestandteilen in die Elektrodenpaste eingearbeitet wird.The Introduction of the second electrolyte into the gas diffusion electrode can either be done later by the example Catalyst layer prepared as described above contains the hydrophobic material, or the gas diffusion electrode subsequently impregnated with the electrolyte becomes. Alternatively, the second electrolyte may already be in the first place be introduced during the manufacturing process of the catalyst layer, for example, by placing the electrolyte next to the others, incorporated above ingredients in the electrode paste becomes.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass – zusätzlich zur Katalysatorschicht – auch die Gasdiffusionsschicht zumindest ein hydrophobes Material aufweisen kann. Ist zwischen GDL und Katalysatorschicht eine optionale mikroporöse Schicht vorhanden, kann diese alternativ oder zusätzlich zur GDL ebenfalls eine hydrophobe Ausstattung aufweisen. Dabei kann das hydrophobe Material der GDL und/oder der mikroporösen Schicht identisch oder unterschiedlich zu dem hydrophoben Material der Katalysatorschicht gewählt sein.A Further advantageous embodiment of the invention provides that - in addition to the catalyst layer - also the gas diffusion layer at least one hydrophobic material may have. Is between GDL and catalyst layer an optional microporous layer If present, this may alternatively or in addition to the GDL also have a hydrophobic finish. It can do that hydrophobic material of the GDL and / or the microporous layer identical or different from the hydrophobic material of the catalyst layer be elected.
Die Erfindung betrifft ferner eine MEA mit einer Polymerelektrolytmembran, die ein mit zumindest einem ersten Elektrolyten imprägniertes Polymermaterial umfasst, und mit zwei beidseitig an die Polymerelektrolytmembran anschließenden Gasdiffusionselektroden, von denen zumindest eine der Elektroden einer vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode entspricht. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen aus einer Mehrzahl solcher MEA aufgebauten Brennstoffzellenstapel.The Invention further relates to an MEA with a polymer electrolyte membrane, which is impregnated with at least a first electrolyte Polymer material comprises, and with two on both sides of the polymer electrolyte membrane subsequent gas diffusion electrodes, of which at least one of the electrodes of an inventive invention described above Gas diffusion electrode corresponds. In addition, concerns the invention is a fuel cell stack constructed from a plurality of such MEAs.
Durch die Verbesserung des Leistungsniveaus bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes von Wasser, das heißt im fahrzeugrelevanten Temperaturbereich, sowie durch die Vermeidung von irreversiblen Degradationserscheinungen der Membran kann die erfindungsgemäße MEA beziehungsweise eine diese enthaltende Brennstoffzelle besonders vorteilhaft in mobilen Anwendungen, wie in Traktionssystemen von Kraftfahrzeugen oder zur Zusatzenergieversorgung als so genannte APU (für auxiliary power unit) in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Selbstverständlich ist sie gleichfalls für stationäre Anwendungen einsetzbar, insbesondere für Kleinkraftwerke oder Hausenergieversorgungseinrichtungen.By improving the level of performance at temperatures below the boiling point of water, that is in the vehicle-relevant temperature range, as well as by avoiding mistaken The MEA according to the invention or a fuel cell containing the same can be used particularly advantageously in mobile applications, such as in traction systems of motor vehicles or for additional energy supply as a so-called APU (for auxiliary power unit) in motor vehicles. Of course, it is also applicable for stationary applications, especially for small power plants or domestic energy supply facilities.
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
wasserfreie Protonenleitung der Polymermembran
Bevorzugt
werden Protonenaustauschermembranen eingesetzt, die durch Imprägnierung
eines temperaturbeständigen basischen Polymers mit einer
Säure gebildet werden, wobei der Gehalt der Elektrolytlösung
60 bis maximal 99 Gew.-% bezogen auf das Polymermaterial
An
den beiden äußeren Membranflächen schließt
sich jeweils eine Gasdiffusionselektrode
Die
Gasdiffusionselektroden
Erfindungsgemäß weisen
die Katalysatorschichten
Prinzipiell
kann der zweite Elektrolyt
Grundsätzlich
kann der zweite Elektrolyt
Im
Rahmen der vorliegenden Erfindungen liegen auch solche Ausgestaltungen,
bei denen – im Unterschied zu der in
In
Testreihen hat sich ein Gehalt des zweiten Elektrolyten oder eines
Gemisches verschiedener solcher von mindestens 0,5 mmol, insbesondere
von mindestens 1,0 mmol in jeder Katalysatorschicht
Nach
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung enthält die Katalysatorschicht
Erfindungsgemäß weisen
die Katalysatorschichten
Durch
das Vorhandensein des hydrophoben Materials
Das
erfindungsgemäße hydrophobe Material
Alternativ
kann das hydrophobe Material
Die
erfindungsgemäße Einbringung des zweiten Elektrolyten
Die
erstgenannte Variante (nachträgliches Einbringen des zweiten
Elektrolyten
- (a) Bereitstellen einer porösen, elektrisch
leitfähigen Katalysatorschicht
20a ,20b , die zumindest ein katalytisches Material sowie zumindest ein hydrophobes Material30 aufweist, - (b) nachträgliches Einbringen zumindest eines zweiten
Elektrolyten
28 in die Katalysatorschicht20a ,20b und - (c) Zusammenfügen einer Polymerelektrolytmembran
16 , die ein mit einem ersten Elektrolyten26 imprägniertes Polymermaterial24 umfasst, mit jeweils einer beidseitig an die Polymerelektrolytmembran16 anschließenden Katalysatorschicht20a ,20b .
- (a) providing a porous, electrically conductive catalyst layer
20a .20b containing at least one catalytic material and at least one hydrophobic material30 having, - (B) subsequent introduction of at least one second electrolyte
28 in the catalyst layer20a .20b and - (c) assembling a polymer electrolyte membrane
16 that one with a first electrolyte26 impregnated polymer material24 comprising, on both sides of the polymer electrolyte membrane16 subsequent catalyst layer20a .20b ,
Dabei
kann das nachträgliche Einbringen des zumindest einen zweiten
Elektrolyten
- – Einpressen
des zumindest einen flüssigen oder gelösten Elektrolyten
28 durch Anwendung eines äußeren Überdrucks, der insbesondere mindestens 0,5 MPa beträgt, bei Raumtemperatur oder oberhalb von dieser für eine Dauer von mindestens 5 Minuten. - – Einbringen des zumindest einen flüssigen
oder gelösten Elektrolyten
28 durch Anwendung eines äußeren Unterdrucks, der insbesondere zwischen 0,5 mbar und 1 bar liegt, bei Raumtemperatur oder oberhalb von dieser für eine Dauer von mindestens 5 Minuten. In Abwandlung dieser Methode kann der Elektrolyt28 auch durch Anlegen eines Vakuums von unten durch die Katalysatorschicht20a ,20b unter Verwendung einer Filternutsche eingesogen werden. - – Betropfen oder Beschichten der Katalysatorschicht
20a ,20b mit dem flüssigen oder gelösten Elektrolyten28 . - – Tauchen der Katalysatorschicht
20a ,20b in den zumindest einen flüssigen oder gelösten Elektrolyten28 .
- - Pressing the at least one liquid or dissolved electrolyte
28 by applying an external overpressure, in particular at least 0.5 MPa, at or above room temperature for a period of at least 5 minutes. - - Introducing the at least one liquid or dissolved electrolyte
28 by applying a external negative pressure, which is in particular between 0.5 mbar and 1 bar, at room temperature or above this for a period of at least 5 minutes. In a modification of this method, the electrolyte28 also by applying a vacuum from below through the catalyst layer20a .20b be sucked in using a suction filter. - - Dripping or coating of the catalyst layer
20a .20b with the liquid or dissolved electrolyte28 , - - Dipping the catalyst layer
20a .20b in the at least one liquid or dissolved electrolyte28 ,
Dagegen
umfasst die zweitgenannte Methode (Einbringen des Elektrolyten
- (a) Herstellen
einer Elektrodenpaste, welche das zumindest eine katalytische Material,
einen Porenbildner, das zumindest eine hydrophobe Material
30 sowie den zumindest einen zweiten Elektrolyten28 und ein Lösungsmittel enthält, insbesondere analogDE 10 2004 024 844 - (b) Erwärmung der Elektrodenpaste solange, bis ein
der Porenbildner und das Lösungsmittel zersetzt oder verdampft
sind, wobei die poröse Katalysatorschicht
20a ,20b entsteht, und - (c) Zusammenfügen einer Polymerelektrolytmembran
16 , die ein mit einem ersten Elektrolyten26 imprägniertes Polymermaterial24 umfasst, mit jeweils einer beidseitig an die Polymerelektrolytmembran16 anschließenden Katalysatorschicht20a ,20b .
- (a) preparing an electrode paste which comprises the at least one catalytic material, a pore-forming agent comprising at least one hydrophobic material
30 and the at least one second electrolyte28 and a solvent, in particular analogouslyDE 10 2004 024 844 - (b) heating the electrode paste until one of the pore formers and the solvent is decomposed or vaporized, the porous catalyst layer
20a .20b arises, and - (c) assembling a polymer electrolyte membrane
16 that one with a first electrolyte26 impregnated polymer material24 comprising, on both sides of the polymer electrolyte membrane16 subsequent catalyst layer20a .20b ,
Nach
einer besonders vorteilhaften Ausführung enthält
die Katalysatorschicht
Alternativ
können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch Membranen
Bei
beiden oben beschriebenen Herstellungsansätzen wird die
Polymermembran
- – Einbringen
des mindestens einen ersten Elektrolyten
26 in eine, das Polymermaterial24 enthaltene Ziehlösung zur Herstellung der Polymermembran16 mit einem Massenanteil des Elektrolyten von 5 bis 95% bezogen auf den Endgehalt in der Membran16 . Anschließendes Gießen der Lösung und Verdampfen des Lösungsmittels unter Ausbildung der imprägnierten Membran16 . - – Einbringen des mindestens einen ersten Elektrolyten
26 in ein, das Polymermaterial24 enthaltenes Polymergranulat und Herstellung einer Ziehlösung mit einem Massenanteil des Elektrolyten in der Lösung von 5 bis 95%. Anschließendes Gießen der Lösung insbesondere und Verdampfen des Lösungsmittels unter Ausbildung der imprägnierten Membran16 . - – Behandlung der Membran
16 durch Tauchen oder Betropfen mit einer Lösung mit 5 bis 95 Gew.-% des Elektrolyten26 bei Temperaturen oberhalb der Raumtemperatur für mindestens 5 Minuten.
- - introducing the at least one first electrolyte
26 into one, the polymer material24 included Ziehlösung for the preparation of the polymer membrane16 with a mass fraction of the electrolyte of 5 to 95% based on the final content in the membrane16 , Subsequent casting of the solution and evaporation of the solvent to form the impregnated membrane16 , - - introducing the at least one first electrolyte
26 in, the polymer material24 contained polymer granules and preparation of a Ziehlösung with a mass fraction of the electrolyte in the solution of 5 to 95%. Subsequent casting of the solution in particular and evaporation of the solvent to form the impregnated membrane16 , - - Treatment of the membrane
16 by dipping or dripping with a solution with 5 to 95 wt .-% of the electrolyte26 at temperatures above room temperature for at least 5 minutes.
Die
aufgenommene Elektrolytmenge kann beispielsweise über gravimetrische
Methoden bestimmt werden. Die so dargestellte, mit dem mindestens
einen Elektrolyten
Beispiel:Example:
Die
Herstellung der erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode
Vergleichsbeispiel 1:Comparative Example 1
Es wurde eine MEA wie im vorstehenden Beispiel inklusive des Polymerbinders PBI hergestellt, jedoch ohne den Zusatz des hydrophoben Materials PTFE und des Elektrolyten perfluorierte Alkylphosphonsäure.It was an MEA as in the previous example including the polymer binder PBI prepared, but without the addition of the hydrophobic material PTFE and the electrolyte perfluorinated alkylphosphonic acid.
Vergleichsbeispiel 2:Comparative Example 2:
Es wurde eine MEA wie im vorstehenden Beispiel hergestellt, jedoch ohne den Zusatz des Polymerbinders PBI, des hydrophoben Materials PTFE und des Elektrolyten perfluorierte Alkylphosphonsäure.It an MEA was prepared as in the previous example, however without the addition of the polymer binder PBI, the hydrophobic material PTFE and the electrolyte perfluorinated alkylphosphonic acid.
Die
Leistungsdichte einer gemäß dem erfindungsgemäßen
Beispiel hergestellten MEA wurde in einem Temperaturzyklusexperiment
untersucht, wobei die Temperatur periodisch zwischen 160 und 40°C
variiert wurde. Das Ergebnis ist in
Aus
Demgegenüber
zeigt
Auf
der anderen Seite zeigt die erfindungsgemäße MEA
in
- 1010
- Brennstoffzellefuel cell
- 1212
- Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
- 1414
- Membran-Elektroden-Einheit (MEA)Membrane-electrode assembly (MEA)
- 1616
- PolymerelektrolytmembranPolymer electrolyte membrane
- 18a18a
- erste Gasdiffusionselektrode (Kathode)first Gas diffusion electrode (cathode)
- 18b18b
- zweite Gasdiffusionselektrode (Anode)second 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
- erster Elektrolytfirst electrolyte
- 2828
- zweiter Elektrolytsecond electrolyte
- 3030
- hydrophobes Materialhydrophobic material
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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