DE102009028308A1 - Membrane electrode unit, useful in fuel cell, comprises a polymer electrolyte membrane made of a polymer, two electrodes sandwiching polymer electrolyte membrane, an electrolyte wetting polymer electrolyte membrane and silicate derivative - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit für Brennstoffzellen sowie eine Brennstoffzelle mit zumindest einer solchen.The The invention relates to a membrane-electrode unit for Fuel cell and a fuel cell with at least one such.
Polymerelektrolytmembranen werden häufig für elektrochemische Applikationen verwendet, wobei ihr Einsatz in Brennstoffzellen bei weitem das größte Anwendungsgebiet darstellt. 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 ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran sandwichartig 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 ein Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 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.Polymer electrolyte membranes are often used for electrochemical applications, their use in fuel cells being by far the largest field of application. 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 is a composite of a proton-conducting membrane and each on both sides of the membrane sandwiched 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, a fuel, in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with emission 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 derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polymerelektrolyt besteht. Hierbei werden oft säuremodifizierte Polymere, insbesondere perfluorierte Polymere eingesetzt. Der verbreiteteste Vertreter dieser Klasse von Polymerelektrolyten ist eine Membran aus einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion; einem 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. Hieraus ergibt sich eine Reihe von Nachteilen. So ist die maximale Betriebstemperatur dieser Membran-Brennstoffzellen – auch aufgrund der mangelnden thermischen Dauerstabilität der Membranen – bei Normdruck auf unter 100°C beschränkt. Bei Temperaturen oberhalb von 80 bis 95°C verschlechtert sich die Leistung aufgrund des Flüssigkeitsverlustes deutlich und zur Aufrechterhaltung der Leitfähigkeit der Membran sind aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Wasserdampfdrucks große Wassermengen zu ihrer Befeuchtung erforderlich. In Systemen, die mit einem über dem Normaldruck liegenden Druck arbeiten, kann die Temperatur nur zu Lasten der Effizienz, der Größe und des Gewichts des Gesamtsystems erhöht werden. Für einen Betrieb oberhalb von 100°C würde der benötigte Druck drastisch ansteigen. Kommt es zu einem Ausfall des Befeuchtungssystems, sind Leistungsverluste und irreversible Schädigungen der Membran-Elektroden-Einheit die Folge.The currently the most advanced fuel cell technology based on polymer electrolyte membranes (PEM) where the membrane itself consists of a polymer electrolyte. These are often acid-modified Polymers, in particular perfluorinated polymers used. The most common Representative of this class of polymer electrolytes is a membrane of a sulfonated polytetrafluoroethylene copolymer (trade name: Nafion; a 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. From this There are a number of disadvantages. So that's the maximum operating temperature this membrane fuel cell - also due to the lack of thermal stability of the membranes - at Standard pressure limited to below 100 ° C. At temperatures above 80 to 95 ° C, the performance deteriorates due to the fluid loss clearly and to maintain the conductivity of the membrane are due to the temperature dependence of the Water vapor pressure large amounts of water to moisten it required. In systems with above normal pressure working pressure, the temperature can only be at the expense of Efficiency, size and weight of the overall system increase. For operation above 100 ° C, the pressure required would be dramatic increase. If there is a failure of the humidification system, are Power losses and irreversible damage to the membrane-electrode assembly the episode.
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, beispielsweise mit CO, 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.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 the tolerance to contamination of the combustion gases, for example, with CO, with increasing temperature too. simultaneously decreases the viscosity of the electrolytic 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-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
Mineralsäuren, die auch bei vollständiger Trockenheit
der Membran oberhalb des Siedepunktes von Wasser die Protonenleitfähigkeit gewährleisten.
Der vielversprechendste Ansatz verfolgt den Einsatz von säuredotierten
heterozyklischen Polymeren, insbesondere Polyazolen, wobei die Protonenleitung auf
der Säure beruht, die als Komplex im Polymer gebunden vorliegt.
Beispielsweise sind Hochtemperaturmembranen aus Polybenzimidazol
(PBI), die mit Säuren, wie etwa Phosphorsäure,
Schwefelsäure oder anderen komplexiert sind, in
Obwohl das Eigenschaftsprofil dieser Polymerelektrolytmembranen für den Einsatz in HT-PEM-Brennstoffzellen bereits recht gut ist, ist eine weitere Optimierung der Materialeigenschaften wünschenswert. Beispielsweise ist eine Erhöhung der Protonenleitfähigkeit erstrebenswert, um den Einsatz im mobilen wie auch im stationären Sektor energetisch zu verbessern. Auch sind die mechanischen Eigenschaften dieser säuredotierten Polybenzimidazolmembranen verbesserungswürdig.Even though the property profile of these polymer electrolyte membranes for the use in HT-PEM fuel cells is already quite good a further optimization of the material properties desirable. For example, an increase in proton conductivity desirable, for use in mobile as well as in stationary Energetically improve the sector. Also, the mechanical properties this acid-doped Polybenzimidazolmembranen in need of improvement.
Kritisch wirkt sich bei diesem HT-Membrantyp zudem ein Absenken der Betriebstemperatur unter den Siedepunkt von Wasser aus, wie etwa beim Start oder beim Herunterfahren der Brennstoffzelle der Fall ist. Der wasserlösliche Elektrolyt kann somit unter Kondensationsbedingungen im flüssigen Produktwasser gelöst und aus der Membran in Richtung der Elektroden verlagert und von diesen vollständig aus der Zelle ausgetragen werden. Durch die Verlagerung des Elektrolyten in die Elektroden kommt es zu einer Verminderung der Gasdiffusion in der Reaktionszone mit der Folge einer Leistungsabnahme, insbesondere bei niedrigen Temperaturen wegen der reduzierten Sauerstofflöslichkeit und -diffusion. Zudem führt der Verlust von Ladungsträgern für den Elektronentransport zu irreversiblen Schädigungen der MEA, was ebenfalls zu einer verminderten Leistung führt. Die bisherigen, auf diesen Membrantyp basierenden Zellen müssen somit bis zum Erreichen der Betriebstemperatur stromlos gehalten werden, um den Elektrolytaustrag zu verhindern. Eine Leistungsanforderung darf erst erfolgen, wenn Temperaturen erreicht sind, bei denen ausschließlich dampfförmiges Produktwasser anfällt. Um die mechanische Belastung der Bauteile, insbesondere der empfindlichen Elektrolytmembran gering zu halten, muss eine signifikante Zeit abgewartet werden, bevor das System betriebsbereit ist.Critical In addition, with this HT membrane type, the operating temperature is lowered below the boiling point of water, such as at the start or at Shutting down the fuel cell is the case. The water-soluble Electrolyte can thus under condensation conditions in the liquid Product water is dissolved and removed from the membrane in the direction of Electrodes shifted and from these completely from the Cell be discharged. By the displacement of the electrolyte in the electrodes, there is a reduction of gas diffusion in the reaction zone with the result of a decrease in performance, in particular at low temperatures because of the reduced oxygen solubility and diffusion. In addition, the loss of charge carriers for electron transport to irreversible damage the MEA, which also leads to a reduced performance. The previous, based on this type of membrane cells must thus kept current until reaching the operating temperature to prevent electrolyte leakage. A performance requirement may only take place when temperatures are reached where excluding vapor product water is obtained. To the mechanical Loading of the components, in particular the sensitive electrolyte membrane has to wait a significant amount of time, before the system is ready.
Verschiedene Strategien zur Einschränkung der Gefahr des Elektrolytaustrags und somit der Erschließung von Betriebstemperaturen unterhalb des Siedepunktes von Wasser sind denkbar und teilweise beschrieben worden:
- • Verwendung eines Elektrolyten
mit höherer Anbindungstendenz an das Polymermaterial der
Membran (z. B. Alkyl- oder Phenylphosphorsäure als Elektrolyt
US 6124060 - • Verwendung eines Polymermaterials für die
Membran mit höherer Anbindungstendenz an den Elektrolyten
(kovalente oder nicht-kovalente Einbindung eines anorganischen,
silikatischen Polymers in das basische Basismaterial der Membran,
DE 10 2006 010 705 A1 - • Aufbringen einer ionisch leitenden, wasserundurchlässigen
aber größere Elektrolytmoleküle zurückhaltende
Sperrschicht auf die Membran (
DE 10 2004 044 760 A1 - • Oberflächenvernetzung der Membran im Anschluss an die Imprägnierung mit dem Elektrolyten, so dass sein Austrag durch die an der Oberfläche erzeugten Netzstruktur unterbunden wird
- • Ausstattung der Membranoberfläche mit negativ geladenen Substituenten, die zu einer Abstoßung des Säureelektrolyten führen
- • Veränderung des Aufbaus der Elektroden zur
Erzeilung eines Rückhalteeffektes für flüssige
Elektrolyte bei Betrieb unter Kondensationsbedingungen (
DE 10 2004 063 457 A1 DE 10 2005 023 897 A1 DE 10 2006 061 779 A1 - • Einführung eines Flüssigkeitsreservoirs
in die MEA, aus welchem der dort angereicherte Elektrolyt periodisch
zurückgeführt wird (
WO 00/59060 A1
- Use of an electrolyte with a higher binding tendency to the polymer material of the membrane (for example, alkyl or phenylphosphoric acid as the electrolyte
US 6124060 - Use of a polymer material for the membrane with higher attachment tendency to the electrolyte (covalent or noncovalent incorporation of an inorganic, silicate polymer into the basic base material of the membrane,
DE 10 2006 010 705 A1 - Applying an ionically conductive, water-impermeable but larger electrolyte molecules retaining barrier layer on the membrane (
DE 10 2004 044 760 A1 - • Surface crosslinking of the membrane following impregnation with the electrolyte, so that its discharge is prevented by the network structure generated on the surface
- • Equipment of the membrane surface with negatively charged substituents, which lead to a rejection of the acid electrolyte
- Altering the structure of the electrodes to produce a retention effect for liquid electrolytes when operating under condensation conditions (
DE 10 2004 063 457 A1 DE 10 2005 023 897 A1 DE 10 2006 061 779 A1 - Introduction of a liquid reservoir into the MEA, from which the electrolyte enriched there is periodically returned (
WO 00/59060 A1
Die vorliegende Erfindung betrifft ausschließlich den erstgenannten Ansatz, d. h. die Verbesserung der Anbindung des Elektrolyten an das membranbildende Polymer und/oder an die Elektrode bzw. an einen in dieser vorhandenen polymeren Binder. Bei der Suche nach alternativen Elektrolyten, die diese Anforderung erfüllen, sind weitere Ansprüche an den Elektrolyten zu berücksichtigen. Insbesondere sollte der Elektrolyt eine Siedetemperatur oberhalb der angestrebten Betriebstemperatur aufweisen und eine Zersetzungstemperatur weit oberhalb von dieser. Es ist ferner eine hohe Säurestärke bei gleichzeitiger Amphoterie des Elektrolyten anzustreben, um die Protonenleitung über den Grothius-Mechanismus zu gewährleisten. Von Vorteil ist außerdem eine möglichst geringe Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit über den gesamten Einsatztemperaturbereich. Schließlich sollte die Sauerstofflöslichkeit und -diffusion vergleichbar mit Wasser sein, um auch bei niedrigen Temperaturen eine gute Versorgung der aktiven Zentren der Elektroden mit den Reaktionsgasen sicherzustellen (Diffusionslimitierung).The The present invention relates exclusively to the former Approach, d. H. the improvement of the connection of the electrolyte the membrane-forming polymer and / or to the electrode or to a in this existing polymeric binder. When looking for alternatives Electrolytes that meet this requirement are more To consider claims to the electrolyte. In particular, the electrolyte should have a boiling temperature above have the desired operating temperature and a decomposition temperature far above this. It is also a high acidity to aim at simultaneous amphoteric of the electrolyte to the Proton conduction via the Grothius mechanism to ensure. Another advantage is the lowest possible Temperature dependence of the conductivity over the entire operating temperature range. Finally, should the oxygen solubility and diffusion comparable to Be sure to provide good water, even at low temperatures ensure the active centers of the electrodes with the reaction gases (Diffusion limitation).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also, eine Membran-Elektroden-Einheit für Hochtemperaturbrennstoffzellen zur Verfügung zu stellen, bei welcher unter Kondensationsbedingungen ein Austrag des Elektrolyten durch das anfallende Produktwasser vermindert oder verhindert wird und die somit neben guten mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften eine verbesserte Langzeitstabilität aufweist.Object of the present invention is therefore a membrane-electrode unit for high temperature to provide fuel cells available, in which under condensation conditions, a discharge of the electrolyte is reduced or prevented by the resulting product water and thus has in addition to good mechanical and electrochemical properties improved long-term stability.
Diese Aufgaben werden durch eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) sowie durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.These Tasks are performed by a membrane-electrode unit (MEA) as well by a fuel cell with the characteristics of independent Claims solved.
Die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit für Brennstoffzellen umfasst eine Polymerelektrolytmembran, die aus mindestens einem Polymer gebildet ist; zwei, die Polymerelektrolytmembran sandwichartig kontaktierende Elektroden (eine Kathode und eine Anode) und zumindest einen Elektrolyten, der zumindest die Polymerelektrolytmembran und optional die Elektroden benetzt. Erfindungsgemäß umfasst die MEA ferner zumindest ein Silikatderivat, das die Polymerelektrolytmembran und/oder die Elektroden benetzt und/oder in diese eingearbeitet ist. Dabei wird mit dem Begriff „benetzt” ein oberflächliches Anhaften des Silikatderivates an das Polymermaterial der Membran oder an die Elektrode aufgrund nicht-kovalenter Wechselwirkungen verstanden. Ist auf der anderen Seite das Silikatderivat in die Membran und/oder Elektrode „eingearbeitet”, bedeutet dies eine im Wesentlichen homogene Mischung auf molekularer Ebene, bei der das Silikatderivat die Membran bzw. die Elektrode durchdringt. Das Silikatderivat weist zumindest eine hydrophob substituierte Silikatgruppe oder zumindest ein hydrophob substituiertes Silikatoligomer auf sowie zumindest eine polare Säuregruppe, die vorzugsweise endständig angeordnet ist.The inventive membrane-electrode unit for Fuel cells include a polymer electrolyte membrane made of at least one polymer is formed; two, the polymer electrolyte membrane Sandwich-contacting electrodes (a cathode and an anode) and at least one electrolyte containing at least the polymer electrolyte membrane and optionally wetting the electrodes. According to the invention the MEA further comprises at least one silicate derivative comprising the polymer electrolyte membrane and / or the electrodes wetted and / or incorporated into this is. It is with the term "wetted" one superficial adhesion of the silicate derivative to the polymer material the membrane or to the electrode due to non-covalent interactions Understood. Is on the other hand, the silicate derivative in the Membrane and / or electrode "incorporated", means this is a substantially homogeneous mixture at the molecular level, in which the silicate derivative penetrates the membrane or the electrode. The silicate derivative has at least one hydrophobically substituted Silicate group or at least one hydrophobically substituted silicate oligomer and at least one polar acid group, preferably is arranged terminally.
Aufgrund der zumindest einen polaren Säuregruppe, die insbesondere eine protische Säuregruppe mit mindestens einem azidischen Wasserstoff ist, weist das Silikatderivat eine elektrolytische Protonenleitfähigkeit auf, welche die Gesamtleitfähigkeit der MEA erhöht.by virtue of the at least one polar acid group, in particular a protic acid group with at least one acidic Is hydrogen, the silicate derivative has an electrolytic proton conductivity, which increases the overall conductivity of the MEA.
Die polare Säuregruppe fungiert somit als zusätzlicher intrinsischer kovalent gebundener Protonenleiter, der einerseits die Protonenleitfähigkeit der MEA unmittelbar erhöht und andererseits die zur Erlangung einer gewünschten Leitfähigkeit benötigte Menge des ersten Elektrolyten verringert. Das Silikatderivat stellt also selbst einen Elektrolyten dar. Zudem besitzt das silikatische Rückgrat eine hohe chemische und mechanische Stabilität im Bereich der angestrebten Einsatztemperatur, durch welche insbesondere die Membran stabilisiert wird. Aufgrund der Hydrophobizität der Silikatgruppe findet gleichzeitig eine optimale An- oder Einbindung in das Polymermaterial der Membran und/oder in das optional vorhandene polymere Bindermaterial der Elektrode statt. Besonders hervorzuheben ist jedoch die auf das Silikatderivat zurückzuführende höhere Elektrolytaufnahme der Membran bzw. der MEA sowie die stärkere Anbindung an die Membran, durch welche ein Auswaschen des Elektrolyten aus der Membran durch flüssig anfallendes Produktwasser signifikant reduziert wird. Während bekannte Hybridmembranen auf Basis rein hydrophober Silikate zwar eine verbesserte mechanische und thermische Stabilität aufweisen, besitzen diese jedoch eine verschlechterte Elektrolytaufnahme und -affinität, beispielsweise gegenüber Phosphorsäure. Diesen Nachteil zeigt eine mit dem erfindungsgemäßen hydrophil modifizierten Silikatderivat behandelte Membran nicht.The polar acid group thus acts as an additional intrinsic covalently bound proton conductor, on the one hand directly increased the proton conductivity of the MEA and on the other hand, to obtain a desired conductivity required amount of the first electrolyte reduced. The Silicate derivative thus represents an electrolyte itself. In addition the silicate backbone has a high chemical and mechanical stability in the range of the desired operating temperature, by which in particular the membrane is stabilized. by virtue of the hydrophobicity of the silicate group takes place simultaneously an optimal attachment or involvement in the polymer material of the membrane and / or in the optional polymeric binder material of Electrode instead. Particularly noteworthy, however, is the on the Silikatderivat attributable higher Electrolyte uptake of the membrane or the MEA and the stronger Connection to the membrane, through which a washing out of the electrolyte from the membrane by liquid accumulating product water is significantly reduced. While known hybrid membranes Although based on purely hydrophilic silicates, an improved mechanical and have thermal stability, but have this a deteriorated electrolyte uptake and affinity, for example, to phosphoric acid. this Disadvantage shows a with the invention hydrophilic modified silicate derivative not treated membrane.
Nach
einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist das Silikatderivat
zwei hydrophob substituierte Silikatgruppen oder Silikatoligomere
auf, zumindest eine endständige polare Säuregruppe
sowie eine die Silikatgruppen oder -oligomere miteinander verbindende
substituierte oder unsubstituierte Kohlenwasserstoffgruppe. Insbesondere
entspricht das Silikatderivat der allgemeinen Formel (I) oder (II) worin
R1, R2, R3, R4, R5 und
R6 der beiden Silikatgruppen bzw. Silikatoligomeren
unabhängig voneinander eine C1- bis C5-Alkylgruppe oder
C1- bis C5-Alkoxygruppe bedeuten, insbesondere eine C1- bis C3-Alkylgruppe oder
C1- bis C3-Alkoxygruppe, besonders bevorzugt eine C2-Alkyl- oder
C2-Alkoxygruppe;
A eine Bindung oder ein Sauerstoffatom bedeutet;
n,
n1 und n2 unabhängig voneinander eine ganze Zahl von 1
bis 20 bedeuten, insbesondere eine ganze Zahl von 1 bis 10, besonders
bevorzugt von 1 bis 5;
HC eine Bindung oder eine substituierte
oder unsubstituierte, verzweigte oder unverzweigte C1- bis C20-Kohlenwasserstoffgruppe
bedeutet, insbesondere eine C1- bis C15-Kohlenwasserstoffgruppe,
besonders bevorzugt eine C5- bis C10-Kohlenwasserstoffgruppe;
X
eine polare Säuregruppe bedeutet und
R eine substituierte
oder nicht substituierte homo- oder heteroaromatische Gruppe bedeutet
oder die Bedeutung der Reste R1, R2, R3 und R4, der Kohlenwasserstoffgruppe HC oder der
polaren Säuregruppe X hat.According to a preferred embodiment of the invention, the silicate derivative has two hydrophobically substituted silicate groups or silicate oligomers, at least one terminal polar acid group and a substituted or unsubstituted hydrocarbon group linking together the silicate groups or oligomers. In particular, the silicate derivative corresponds to the general formula (I) or (II) in which R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 of the two silicate groups or silicate oligomers independently of one another denote a C 1 - to C 5 -alkyl group or C 1 - to C 5 -alkoxy group, in particular a C 1 - to C 3 -alkyl group or C1 to C3 alkoxy group, more preferably a C2-alkyl or C2-alkoxy group;
A represents a bond or an oxygen atom;
n, n1 and n2 independently of one another denote an integer from 1 to 20, in particular an integer from 1 to 10, particularly preferably from 1 to 5;
HC represents a bond or a substituted or unsubstituted, branched or unbranched C1 to C20 hydrocarbon group, in particular a C1 to C15 hydrocarbon group, particularly preferably a C5 to C10 hydrocarbon group;
X means a polar acid group and
R represents a substituted or unsubstituted homo- or heteroaromatic group, or the meaning of the radicals R 1, R 2, R 3 and R 4, the hydrocarbon group or the HC acid polar group X has.
Im Fall der Formel (II) wird dabei vorausgesetzt, dass wenn HC eine Bindung ist, zumindest eines der beiden A ebenfalls eine Bindung ist.in the Case of formula (II) is assumed that when HC a Bond is, at least one of the two A also a bond is.
Aufgrund der relativ kurzkettigen Silkatoligomer-Gruppen wird einer bei langkettigen Silikaten zu beobachtenden Entmischungstendenz des Membranpolymers und des Silikates entgegengewirkt, welche zu einer Verschlechterung der mechanischen Stabilität der Membran führt. Werden die Kettenlängen der Silikatderivate gegenüber denen des organischen membranbildenden Polymers kurz gehalten, insbesondere die Kettelängen n bzw. n1 und n2 im oben bezeichneten Rahmen gewählt, so werden die positiven Eigenschaften der Elektrolytspeicherung mit denen der verbesserten mechanischen Stabilität verbunden.by virtue of The relatively short-chain silicate oligomer groups become one in long-chain Silicates observed demixing tendency of the membrane polymer and the silicate counteracted, leading to deterioration the mechanical stability of the membrane leads. Are the chain lengths of silicate derivatives compared those of the organic membrane-forming polymer are kept short, in particular the Kettelängen n or n1 and n2 in the above frame chosen, so will the positive properties of the electrolyte storage associated with those of improved mechanical stability.
Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei der Säuregruppe (X in Formel I oder II) um eine Protonensäure, insbesondere um Phosphonsäure-, Sulfonsäure-, Carbonsäure- oder Hydroxidgruppe ist. Vorzugsweise ist die Säuregruppe eine Carbonsäuregruppe -CO2H oder eine Phosphonsäuregruppe PO3H2.As already mentioned, the acid group (X in formula I or II) is a protic acid, especially a phosphonic acid, sulfonic acid, carboxylic acid or hydroxide group. Preferably, the acid group is a carboxylic acid group -CO 2 H or a phosphonic acid group PO 3 H 2 .
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bedeutet in Formel I oder II der Rest R eine substituierte oder nicht substituierte N-heteroaromatische Gruppe, insbesondere eine substituierte oder nicht substituierte Benzimidazolgruppe. Auf diese Weise wird die nicht-kovalente Anbindung des Silkatderivates an typische Membranmaterialien, bei denen es sich häufig um N-heteroaromatische Polymere, z. B. Polyazole und Polyphosphazene, handelt, verstärkt. Zudem ist R bevorzugt mit einer Säuregruppe substituiert, bei der es sich wie bei der Säuregruppe X insbesondere um eine Phosphonsäure-, Sulfonsäure-, Carbonsäure- oder Hydroxidgruppe handelt, vorzugsweise um eine Carbonsäure- oder Phosphonsäuregruppe.To A preferred embodiment of the invention means in formula I or II the radical R is a substituted or unsubstituted N-heteroaromatic group, in particular a substituted or unsubstituted benzimidazole group. In this way, the non-covalent attachment of the silicate derivative to typical membrane materials, which are often N-heteroaromatic polymers, z. As polyazoles and polyphosphazenes, is amplified. In addition, R is preferably substituted by an acid group, in which it is like the acid group X in particular to a phosphonic acid, sulfonic acid, carboxylic acid or hydroxide group, preferably a carboxylic acid or phosphonic acid group.
Die Reste R1, R2, R3, R4, R5 und R6 in Formel I und II sind bevorzugt jeweils eine Alkoxygruppe, insbesondere jeweils eine Ethoxygruppe.The radicals R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 in formula I and II are preferably each an alkoxy group, in particular in each case an ethoxy group.
Das zumindest eine Polymer der Membran ist nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ein N-heteroaromatisches Polymer, das insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe der Polyazole und Polyphosphazene. Besonders geeignete Vertreter dieser Polymerklassen stellen Polybenzimidazole, Polypyridine, Polypyrimidine, Polyimidazole, Polybenzthiazole, Polybenzoxazole, Polyoxadiazole, Polychinoxaline, Polythiadiazole, Poly(tetrazapyrene), Polyvinylpyridine und Polyvinylimidazole dar. Sämtliche dieser Polymere zeichnen sich durch ihre Eignung aus, eine große Menge Säure, insbesondere durch Wasserstoffbrücken, an den in der Polymerkette vorhandenen Stickstoffatomen stabil zu binden.The at least one polymer of the membrane is advantageous Form the invention an N-heteroaromatic polymer, in particular is selected from the group of polyazoles and polyphosphazenes. Particularly suitable representatives of these polymer classes are polybenzimidazoles, Polypyridines, Polypyrimidines, Polyimidazoles, Polybenzothiazoles, Polybenzoxazoles, Polyoxadiazoles, polyquinoxalines, polythiadiazoles, poly (tetrazapyrene), Polyvinylpyridines and polyvinylimidazoles. All These polymers are characterized by their suitability, a large Amount of acid, especially by hydrogen bonding, stable at the nitrogen atoms present in the polymer chain tie.
Es ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass das Membranbildende Poylmer[2,2'-(m-phenylen)-5,5'-benzimidazol] (PBI) gemäß Formal (III) und/oder Poly(2,5-benzimidazol) (ABPBI) gemäß Formel (IV) oder ein Derivat von diesen umfasst.It it is particularly preferred that the membrane-forming polymer [2,2 '- (m-phenylene) -5,5'-benzimidazole] (PBI) according to Formal (III) and / or Poly (2,5-benzimidazole) (ABPBI) according to formula (IV) or a derivative of this includes.
Gegenüber vielen anderen Polyazolen haben diese Polymere einerseits den Vorteil einer hohen Leitfähigkeit im säuredotierten Zustand und ermöglichen zudem eine sehr gute und schnelle Membranherstellung. Geeignete Derivate von PBI und ABPBI umfassen etwa Sulfonsäure-, Sulfonat-, Phosphonsäure- oder Phosphonatderivate, wobei diese Gruppen an einer beliebigen Position des Benzolringes gebunden sein können. Durch diese funktionellen Gruppen wird insbesondere eine Verbesserung der Protonenleitfähigkeit erzielt. Vorzugsweise können diese Gruppen durch nachträgliche Modifizierung des ABPBI, etwa durch Sulfonierung, erfolgen.Across from On the one hand, these polymers have the advantage over many other polyazoles a high conductivity in the acid-doped state and also allow a very good and fast membrane production. suitable Derivatives of PBI and ABPBI include, for example, sulfonic acid, Sulfonate, phosphonic acid or phosphonate derivatives, wherein these groups are attached at any position of the benzene ring could be. In particular, by these functional groups achieved an improvement in proton conductivity. Preferably These groups can be modified by subsequent modification of ABPBI, for example by sulfonation.
Das zumindest eine (erste) Elektrolyt ist insbesondere ausgewählt aus der Gruppe umfassend Säuren und deren Salze, insbesondere Phosphorsäure, Phosphinsäure, Phosphonsäure, Phosphorsäurealkyl- oder -arylester, Schwefelsäure, Sulfonsäure, Alkyl- und Arylsulfonsäuren, wie Methansulfonsäure und Phenylsulfonsäure, Alkyl- und Arylphosphonsäuren, Salpetersäure, Salzsäure, Ameisensäure, Essigsäure, Trifluoressigsäure, Perchlorsäure, Heteropolysäuren, Hexafluorglutarsäure (HFGA), Squarsäure (SA); und Basen, insbesondere Alkali- und Erdalkalihydroxide, wie Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid, Lithiumhydroxid; stickstoffhaltige Heterocyclen, insbesondere Imide, Imidazole, Triazole, Perfluorsulfonimide, ionische Flüssigkeiten, insbesondere 1-Butyl-3-methyl-imidazoliumtrifluormethansulfonit; und Derivate von diesen. Von diesen ist der Einsatz von Phosphorsäure, Schwefelsäure, Sulfonsäure, Phosphonsäure und Perchlorsäure bevorzugt, insbesondere von Phosphorsäure.The at least one (first) electrolyte is in particular selected from the group comprising acids and their salts, in particular phosphoric acid, phosphinic acid, phosphonic acid, alkyl or aryl phosphates, sulfuric acid, sulfonic acid, alkyl- and arylsulfonic acids, such as methanesulfonic acid and phenylsulfonic acid, alkyl- and arylphosphonic acids , Nitric, hydrochloric, formic, acetic, trifluoro acetic acid, perchloric acid, heteropolyacids, hexafluoro- glutaric acid (HFGA), squarric acid (SA); and bases, especially alkali and alkaline earth hydroxides such as potassium hydroxide, sodium hydroxide, lithium hydroxide; nitrogen-containing heterocycles, in particular imides, imidazoles, triazoles, perfluorosulfonimides, ionic liquids, in particular 1-butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonite; and derivatives of these. Of these, the use of phosphoric acid, sulfuric acid, sulfonic acid, phosphonic acid and perchloric acid is preferred, in particular of phosphoric acid.
Das zumindest eine Silikatderivat kann nach einer besonderen Ausführung in einer Mischung mit dem zumindest einen Elektrolyten vorliegen, wobei das Silikatderivat insbesondere einen Massenanteil von 1 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise von 2 bis 40 Gew.-%, besonders bevorzugt von 5 bis 30 Gew.-% bezogen auf diese (Elektrolyt) Mischung aufweist.The At least one silicate derivative can be made according to a particular embodiment in a mixture with the at least one electrolyte, wherein the silicate derivative in particular a mass fraction of 1 to 60 Wt .-%, preferably from 2 to 40 wt .-%, particularly preferably from 5 to 30 wt .-% based on this (electrolyte) mixture.
Mit Vorteil weist eine Polymerelektrolytmembran gemäß der Erfindung einen Gehalt von 1 bis 90 Gew.-%, insbesondere von 2 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise von 5 bis 75 Gew.-%, des zumindest einen Silikatderivates auf bezogen auf die Summe der Massen der trockenen Membran und des Silikatderivates.With Advantage has a polymer electrolyte membrane according to the Invention a content of 1 to 90 wt .-%, in particular from 2 to 80 wt .-%, preferably from 5 to 75 wt .-%, of the at least one Silicate derivatives based on the sum of the masses of the dry Membrane and the silicate derivative.
Die Einbringung des Silikatderivates, insbesondere des Gemischs aus Elektrolyt und dem Silikatderivat, in die Membran kann entweder nachträglich zur Membranherstellung durch Imprägnierung erfolgen, wobei die Membran etwa durch Übergießen, Eintauchen, Besprühen oder dergleichen in Kontakt mit dem Silikatderivat bzw. dem Elektrolytgemisch gebracht wird, wobei die Elektrolyte dabei durch nicht-kovalente Wechselwirkungen an das Polymermaterial der Membran binden. Resultat der nachträglichen Imprägnierung ist eine im Wesentlichen oberflächliche Anbindung des Silkatderivates an die Membran.The Introduction of the silicate derivative, in particular the mixture of Electrolyte and the silicate derivative, in the membrane can either subsequently for membrane production by impregnation be done, the membrane about as by pouring, Dipping, spraying or the like in contact with the Silicate derivative or the electrolyte mixture is brought, wherein the Electrolytes by non-covalent interactions with the Bind polymer material of the membrane. Result of the subsequent Impregnation is essentially superficial Connection of the Silkate derivative to the membrane.
Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass das Silkatderivat bereits der so genannten Ziehlösung zur Herstellung der Membran zugesetzt und intensiv mit dieser vermischt wird und dann die Herstellung der Membran, etwa durch Gießen und/oder Rakeln, erfolgt. Auf diese Weise wird eine gleichmäßigere Verteilung des Silikates in der Membran und damit eine höhere Protonenleitfähigkeit und mechanische Stabilität erzielt.Prefers However, it is envisaged that the Silkatderivat already the so-called Ziehlösung added for the preparation of the membrane and intense is mixed with this and then the production of the membrane, about by casting and / or knife. In this way is a more even distribution of the silicate in the membrane and thus a higher proton conductivity and achieved mechanical stability.
In beiden vorgenannten Prozessen kann das Silikatderivat unverdünnt oder in Lösung eingesetzt werden, wobei der (erste) Elektrolyt, beispielsweise Phosphorsäure, jeweils zugesetzt werden kann.In Both of these processes, the silicate derivative undiluted or in solution, the (first) electrolyte, For example, phosphoric acid, in each case be added can.
Da für die Funktion einer Brennstoffzellen-MEA das Vorhandensein von Elektrolyt im Bereich der Dreiphasengrenze (Katalysator – Reaktionsgase – Elektrolyt) von entscheidender Bedeutung zum Abtransport der an der Anode entstehenden Protonen ist, ist bevorzugt vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Silikatderivat als Elektrolyt oder als Elektrolytzusatz zu einem anderen Elektrolyt auch im Bereich der Elektroden der MEA vorhanden ist, indem es diese benetzt und/oder in diese eingearbeitet ist. Beim Aufbau der Elektroden ist dabei eine maximale Ausnutzung der Katalysatoraktivität anzustreben, indem möglichst das gesamte Elektrodenvolumen mit Elektrolyt bzw. dem Elektrolytgemisch erschlossen. Die Einbringung des Silikatderivates oder des Elektrolytgemisches in die Elektrode kann bereits in die katalysatorhaltige Paste bei der Herstellung der Elektrode erfolgen oder nachträglich durch Imprägnierung der Elektrodenaußenseite vor Montage der MEA. Ebenso möglich ist auch die Verarbeitung der elektrolytfreien Elektroden mit einer bereits elektrolytbeladenen Membran, wobei die Übertragung des Elektrolyten aus der Membran in die Elektrode im Wege eines Heißpressschrittes, mit welchem das MEA-Gefüge erzeugt wird, erfolgt oder während eines Einfahrzyklus der Brennstoffzelle nach Montage der MEA.There for the function of a fuel cell MEA the presence of electrolyte in the region of the three-phase boundary (catalyst - reaction gases - electrolyte) crucial for the removal of the resulting at the anode Protons is, it is preferably provided that the inventive Silicate derivative as an electrolyte or as an electrolyte additive to a other electrolyte also in the area of the electrodes of the MEA available is by wetting them and / or incorporated into them. In the construction of the electrodes while a maximum utilization of To seek catalyst activity by, if possible the entire electrode volume with electrolyte or the electrolyte mixture developed. The introduction of the silicate derivative or the electrolyte mixture in the electrode can already in the catalyst-containing paste at the preparation of the electrode carried out or subsequently by impregnation of the electrode outside Assembly of the MEA. Equally possible is the processing the electrolyte-free electrodes with an already electrolyte-laden Membrane, wherein the transfer of the electrolyte from the Membrane into the electrode by means of a hot pressing step, with which the MEA structure is generated, takes place or during a run-in cycle of the fuel cell after assembly of the MEA.
Die Erfindung betrifft gemäß einem weiteren Aspekt eine Brennstoffzelle mit zumindest einer, eine Membran-Elektroden-Einheit gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisenden Einzelzelle.The Invention relates according to a further aspect a fuel cell having at least one, a membrane electrode assembly according to the present invention Single cell.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der dazugehörigen Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below in embodiments the accompanying figures explained in more detail. Show it:
In
Die
Brennstoffzelle
Zur
Inbetriebnahme wird die Brennstoffzelle
Wie
aus
Die
Polymerelektrolytmembran
Die
Elektrolytkomponente umfasst erfindungsgemäß zumindest
ein Silikatderivat und zumindest einen weiteren Elektrolyten, vorzugsweise
Polyphosphorsäure. Das Silikatderivat zeichnet sich durch
eine oder zwei hydrophob substituierte Silikatgruppen oder um eine
oder zwei hydrophob substituierte Silikatoligomere mit einer hohen
Affinität zu dem membranbildenden Polymer aus, wodurch
einerseits eine gute Verankerung an und in der Membran
Die Verbindung (V) zeichnet sich durch eine hydrophile Sulfonsäuregruppe und auf der anderen Seite durch eine hydrophobe C5- bis C10-Alkylgruppe aus. Von dieser Verbindung wird angenommen, dass sie hydrophile protonenleitende Kanäle innerhalb des hydrophoben Polymermaterials der Membran ausbildet, an welcher sie mit ihren hydrophoben Kohlenwasserstoffketten nicht kovalent bindet. Auf diese Weise wird eine besonders gute Protonenleitfähigkeit der Polymerelektrolytmembran erhalten. Dagegen handelt es sich bei dem Silikatderivaten (VI) und (VIII) um insgesamt relativ hydrophile Verbindungen, die eine starke Wechselwirkung mit dem Elektrolyten eingehen und selbst einen deutlichen Beitrag zur Protonenleitfähigkeit bilden. Der Vorteil der Verbindung (VII) ist in der Benzimidazolgruppe zu sehen, der besonders intensiv mit dem Membranpolymer wechselwirkt und somit sehr stabil an dieses bindet. Hierdurch wird ein besonders starker Rückhalt des Elektrolyten, der seinerseits mit der Phosphonsäuregruppe wechselwirkt, in der Polymerelektrolytmembran auch unter Kondensationsbedingungen erzielt.The Compound (V) is characterized by a hydrophilic sulfonic acid group and on the other side by a hydrophobic C5 to C10 alkyl group out. This compound is believed to be hydrophilic proton-conducting channels within the hydrophobic polymeric material forms the membrane on which they with their hydrophobic hydrocarbon chains does not bind covalently. This will be a particularly good one Proton conductivity of the polymer electrolyte membrane obtained. In contrast, the silicate derivatives (VI) and (VIII) by a total of relatively hydrophilic compounds that have a strong interaction enter with the electrolyte and even make a significant contribution to form proton conductivity. The advantage of the connection (VII) can be seen in the benzimidazole group, which is particularly intense interacts with the membrane polymer and thus very stable to this binds. This will be a particularly strong backing of the Electrolyte, in turn, with the phosphonic acid group interacts, in the polymer electrolyte membrane also under condensation conditions achieved.
Vorzugsweise
liegt das zumindest eine Silikatderivat auch im Bereich der Elektroden
Die
erfindungsgemäße MEA
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Brennstoffzellefuel cell
- 1212
- Einzelzellesingle cell
- 1414
- Membran-Elektroden-Einheit (MEA)Membrane-electrode assembly (MEA)
- 1616
- PolymerelektrolytmembranPolymer electrolyte membrane
- 1818
- Elektrode (Anode)electrode (Anode)
- 2020
- Elektrode (Kathode)electrode (Cathode)
- 2222
- Bipolarplattebipolar
- 2424
- WasserstoffzuleitungHydrogen supply
- 2626
- WasserstoffableitungHydrogen discharge
- 2828
- Luftzuleitungair supply
- 3030
- Luftableitungair discharge
- 3232
- Endplatteendplate
- 3434
- Katalysatorschichtcatalyst layer
- 3636
- Gasdiffusionsschicht (GDL)Gas diffusion layer (GDL)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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