DE102020126797A1

DE102020126797A1 - Katalysatorbeschichtete Membran und Wasserelektrolysezelle

Info

Publication number: DE102020126797A1
Application number: DE102020126797.5A
Authority: DE
Inventors: Alessandro Ghielmi; Dominik Gehrig; Jan Byrknes; Jens-Peter Suchsland; Christian Eickes
Original assignee: Greenerity GmbH
Current assignee: Greenerity GmbH
Priority date: 2020-10-13
Filing date: 2020-10-13
Publication date: 2022-04-14
Also published as: CA3194898A1; CN116325242A; KR20230121999A; EP4229687A1; JP2023546077A; WO2022078872A1; US20230374679A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine katalysatorbeschichtete Membran, die eine Protonenaustauschmembran, eine auf einer ersten Seite der Membran aufgebrachte Anode und eine auf einer zweiten Seite der Membran aufgebrachte Kathode umfasst, wobei die Anode mindestens einen edelmetallhaltigen Katalysator umfasst, wobei das Flächengewicht des edelmetallhaltigen Katalysators, bezogen auf den Gehalt an Edelmetall, kleiner oder gleich 0,6 mg/cm2ist, und wobei eine Flächenausdehnung der katalysatorbeschichteten Membran weniger als 20% nach Verwahrung für zwei Stunden in 100 °C warmem Wasser bei einem Luftdruck von 1013 hPa beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine katalysatorbeschichtete Membran mit hoher Leistungsdichte bei niedriger Katalysatorbeladung und eine Wasserelektrolysezelle, die diese katalysatorbeschichtete Membran umfasst.
Katalysatorbeschichtete Membranen mit einer Protonenaustauschmembran, die auf einer Seite mit einer Anode und auf der gegenüberliegenden Seite mit einer Kathode beschichtet sind, sind aus dem Stand der Technik unter dem Begriff CCM (engl.: catalyst coated membrane) bekannt. Im Falle der Verwendung der CCM in der Wasserelektrolyse ist der Begriff PEM-WE (engl.: proton-exchange membrane water electrolysis) gebräuchlich.
Protenenaustauschmembranen zur Anwendung in PEM-WE sind üblicherweise extrudierte Perfluorsulfonsäure-basierte (PFSA; engl.: perfluoro sulfonic acid) Polymermembranen. Die etabliertesten Beispiele für PEM sind Nafion® N115 und Nafion® N117 der Firma Chemours. In der aktuellen Literatur werden weiterhin dünnere, gegossene, d.h. mittels eines Lösungsmittels gedruckte Membranen, wie Nafion® NR212 verwendet.
In der Anodenelektrodenschicht (kurz: Anode) wird ein Katalysator zur Oxidation von Wasser (Wasserspaltung) verwendet. Dieser Katalysator wird oft als OER-Katalysator (engl.: oxygen evolution reaction) bezeichnet. OER-Katalysatoren sind für gewöhnlich auf Basis von Edelmetallen gebildet und umfassen Edelmetalloxide die eine hohe katalytische Aktivität für die Wasserspaltung aufweisen. Weiterhin wird in der Anode für gewöhnlich ein protonenleitfähiges Polymer, ein sogenanntes lonomer vom PFSA-Typ als Bindemittel eingesetzt, das mit dem OER-Katalysator durchmischt vorliegt.
In der Kathodenelektrodenschicht (kurz: Kathode) wird ein Katalysator zur Reduktion von Protonen zu Wasserstoff eingesetzt. (engl.: hydrogen evolution reaction = HER-Katalysator) Diese Katalysatoren basieren üblicherweise auf Platin, wobei Platin bevorzugt fein dispergiert auf Kohlenstoffpulvern vorliegt. Weiterhin umfasst die Kathode ebenfalls üblicherweise ein PFSA-basiertes lonomer als Binder.
CCMs für PEM-WE-Anwendungen werden derzeit mit hohen Edelmetallgehalten an Iridium und/oder Ruthenium hergestellt, wobei ein typisches Flächengewicht, auch (Edelmetall-)Beladung genannt, 1 bis 2 mg/cm² beträgt, wodurch eine ausreichende OER-Rate sichergestellt wird. Das Flächengewicht (mg) bezieht sich hierbei auf die Masse des Katalysatormetalls und die Fläche (cm²) auf die geometrische Oberfläche der CCM, auf der der Katalysator vorliegt. Diese Fläche wird auch als aktive Fläche bezeichnet. Ein hohes Flächengewicht, wie vorstehend angegeben, ist bislang erforderlich, um Wirkungsgradverluste zu verhindern. Studien (siehe z.B. M. Bernt et al., The Electrochemical Society, 165 (5) F305-F314 (2018)) konnten zeigen, dass diese Verluste bei einer Iridiumbeladung von weniger als 0,4 mg/cm² besonders ausgeprägt sind. Die vorstehend genannte Veröffentlichung schlägt als Lösungsansatz die Herstellung dickerer Elektroden vor, lehrt aber nicht, wie dickere Elektroden hergestellt werden sollen ohne gleichzeitig die Iridiumbeladung zu erhöhen.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung eine katalysatorbeschichtete Membran bereitzustellen, die bei geringer Anoden-Edelmetallbeladung einen guten Wirkungsgrad aufweist, der sich durch eine geringe Spannung bei einer gegebenen Stromdichte auszeichnet. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wasserelektrolysezelle anzugeben, die sich ebenfalls durch einen guten Wirkungsgrad und damit auch durch niedrige Betriebskosten aufgrund eines reduzierten Stromverbrauchs auszeichnet.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß wird somit eine katalysatorbeschichtete Membran beschrieben, die eine Protonenaustauschmembran (kurz: Membran) eine auf einer ersten Seite der Membran aufgebrachte Anode und eine auf einer zweiten Seite der Membran aufgebrachte Kathode umfasst. Die Anode zeichnet sich durch eine geringe Beladung mit Katalysator aus und umfasst hierzu mindestens einen edelmetallhaltigen Katalysator, wobei das Flächengewicht des edelmetallhaltigen Katalysators, bezogen auf den Gehalt an Edelmetall in dem edelmetallhaltigen Katalysator, kleiner oder gleich 0,6 mg/cm² ist. Wie nachstehend ausgeführt wird, ist diese geringe Beladung mit edelmetallhaltigem Katalysator in der erfindungsgemäßen katalysatorbeschichteten Membran ausreichend, um bei gegebener Stromdichte eine geringe Spannung und damit einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen.
Ermöglicht wird eine derart niedrige Beladung dadurch, dass eine Flächenausdehnung der katalysatorbeschichteten Membran weniger als 20% nach Verwahrung für zwei Stunden in 100 °C warmem Wasser bei einem Luftdruck von 1013 hPa beträgt. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die erfindungsgemäße katalysatorbeschichtete Membran eine hohe Dimensionsstabilität aufweist. Die hohe Dimensionsstabilität der erfindungsgemäß beschriebenen katalysatorbeschichteten Membran ist maßgeblich auf die hohe Dimensionsstabilität der eingesetzten Protonenaustauschmembran zurückzuführen, da die vorzusehenden Katalysatorschichten in der Regel bei erfindungsgemäß vorgesehener Verwendung (und auch in 100 °C warmem Wasser bei einem Luftdruck von 1013 hPa bei Verwahrung darin für zwei Stunden) im Wesentlichen keiner Dimensionsänderung unterliegen. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass sofern sich die erfindungsgemäß eingesetzte Membran durch eine Flächenausdehnung von weniger als 20% nach Verwahrung für zwei Stunden in 100 °C warmem Wasser bei einem Luftdruck von 1013 hPa auszeichnet, auch eine unter Verwendung dieser Membran hergestellte katalysatorbeschichtete Membran eine entsprechende Flächenausdehnung von weniger als 20% aufweist (nach einer Konditionierung bei 21°C und 50% relativer Feuchte, was einem Ausgangswert der Dimension der katalysatorbeschichteten Membran bei Umgebungsbedingungen entspricht). Da es erfindungsgemäß auf die Dimensionsstabilität der gesamten katalysatorbeschichteten Membran ankommt, wird erfindungsgemäß die Flächenausdehnung auf die Flächenausdehnung der katalysatorbeschichteten Membran bezogen. Die Dimensionsstabilität und damit die Flächenausdehnung der erfindungsgemäßen katalysatorbeschichteten Membran wird im experimentellen Teil weiter unten explizit beschrieben, wobei unter einer katalysatorbeschichteten Membran im Sinne der Messung der Flächenausdehnung eine einseitig oder beidseitig katalysatorbeschichtete Membran (je nach Herstellungsverfahren) verstanden wird.
Beim Einsatz von wie vorstehend definierten dimensionsstabilen Membranen kann ein guter Wirkungsgrad mit einer geringen Anodenbeladung von 0,6 mg/cm² oder weniger, wie 0,2 mg/cm² oder sogar 0,1 mg/cm², erreicht werden.
Ohne an die Theorie gebunden zu sein wird vermutet, dass der hohe Wirkungsgrad bei der Kombination dimensionsstabiler (katalysatorbeschichteter) Membranen und Anoden mit geringer Edelmetallbeladung darauf beruht, dass eine dimensionsstabile Membran die Integrität der Anode beim Einbau der katalysatorbeschichteten Membran in die Zelle und beim Betrieb unter nassen Bedingungen gewährleistet. Wird im Gegensatz dazu eine Membran mit geringer Dimensionsstabilität, also mit einer Flächenausdehnung von mehr als 20% gemäß dem hierin beschriebenen Verfahren verwendet, quillt die Membran exzessiv unter den nassen Betriebsbedingungen und die Anode verliert ihre Integrität, wodurch der Elektrodenwiderstand ansteigt, was wiederum zu einer Reduzierung des Wirkungsgrads, insbesondere bei hohen Stromdichten führt. Dieser Verlust der Elektrodenintegrität tritt bei hohen Edelmetallbeladungen nahezu nicht auf, da eine ausreichende Verknüpfung der Anode beibehalten wird, der Verlust wird jedoch bei Beladungen unter 0,6 mg/cm² deutlich merkbar und inakzeptabel.
In einer dimensionsstabilen katalysatorbeschichteten Membran gemäß der vorliegenden Erfindung wird dagegen die Integrität der Anode auch bei sehr geringen Edelmetallbeladungen beibehalten. Diese kann weiterhin durch die Tatsache belegt werden, dass bei geringen Stromdichten, bei denen der Wirkungsgrad durch die Katalysatoraktivität (nicht durch den Widerstand) bestimmt ist, für beide Membrantypen (dimensionsstabil und nicht dimensionsstabil) über den gesamten Beladungsbereich sehr ähnliche Zellspannungswerte erhalten werden. Zusätzlich entspricht der Trend der Zellspannung dem theoretisch erwarteten Zellspannungstrend. Auf der anderen Seite weisen Membranen mit hoher Dimensionsstabilität und damit auch katalysatorbeschichtete Membranen mit hoher Dimensionsstabilität im Sinne der Erfindung, unter hohen Stromdichten, z.B. > 1 A/cm², bei denen der Widerstand wichtig wird, klare Vorteile auf, sobald eine geringe Anoden-Edelmetallbeladung vorliegt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Begriffe „Beladung“, „Edelmetallbeladung“ oder „Flächengewicht“ ausschließlich auf das in dem eingesetzten Katalysator enthaltene Edelmetall bezogen. Die Verwendung der Beladung in Bezug auf das Edelmetall ist vorteilhaft, da im Falle der Edelmetalle das Metall einen besonders hohen Anteil an den Kosten des Katalysators beiträgt.
Des Weiteren wird die Dimensionsstabilität der erfindungsgemäß eingesetzten Membran und damit der erfindungsgemäßen katalysatorbeschichteten Membran auf die Dimensionsstabilität beim Übergang vom trockenen Zustand zum nassen Zustand verstanden. Die Ausdehnung, die hierbei in der Membran und damit auch in der katalysatorbeschichteten Membran auftritt, wird als Flächenausdehnung bezeichnet, die sich durch die Ausdehnung in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen ergibt. Hierbei werden als senkrecht zueinander stehende Richtungen die flächenförmigen Ausdehnungsrichtungen und nicht die Ausdehnung der katalysatorbeschichteten Membran in Schichtdickenrichtung bzw. Schichtanordnungsrichtung verstanden. Insbesondere werden als senkrecht zueinander stehende Richtungen die Ausdehnungsrichtung in Maschinenrichtung (MD) und in Transvers-Richtung (TD), auch Quermaschinenrichtung genannt, verstanden, wobei die Flächenänderung als prozentuale Ausdehnung der Fläche ausgedrückt werden kann. Eine hohe Dimensionsstabilität bedeutet im Sinne der Erfindung damit immer eine niedrige Flächenausdehnung von weniger als 20%.
Beispielhaft würde eine Membran, deren Länge im trockenen Zustand 100 mm (MD) und deren Breite im trockenen Zustand 100 mm (TD) beträgt und deren Länge und Breite beim Verwahren für zwei Stunden in 100 °C warmem Wasser bei einem Luftdruck von 1013 hPa auf 115 mm (MD) und 125 mm (TD) ansteigt, eine Flächenausdehnung von 43,75% aufweisen, wie weiter unten noch im Detail erläutert wird.
Membranen und folglich auch katalysatorbeschichtete Membranen mit einer hohen Dimensionsstabilität und damit mit einer Flächenausdehnung von weniger als 20% nach Verwahrung für zwei Stunden in 100 °C warmem Wasser bei einem Luftdruck von 1013 hPa im Sinne der vorliegenden Erfindung, können auf unterschiedliche Art und Weise erhalten werden und das Verfahren zu ihrer Herstellung ist im Einzelnen nicht beschränkt.
Gemäß einem ersten beispielhaften Verfahren wird eine oder werden mehrere Verstärkungsstrukturen in eine Protonenaustauschmembran eingebracht, sodass die Verstärkungsstruktur(en) die Ausdehnung der Membran begrenzt bzw. begrenzen. Die Verstärkungsstruktur kann beispielhaft während des Herstellungsprozesses der Membran aus einer lonomerdispersion oder lonomerlösung eingeführt werden. In diesem Fall wird eine zuvor ausgebildete Verstärkungsstruktur, wie bspw. (bi-)axial gerecktes PTFE (ePTFE, engl.: expanded PTFE), mit einer lonomerdispersion imprägniert und anschließend getrocknet, so dass die Poren der Verstärkungsstruktur mit lonomer gefüllt sind. Anschließend kann die Membran in einem Hochtemperaturschritt, z.B. bei etwa 150 °C bis 200 °C, getempert werden, um so die Stabilität der Membran zu verbessern.
Als lonomere werden vorzugsweise PFSA-Ionomere eingesetzt.
Weiterhin können verstärkte Membranen durch Lamination, z.B. in einem Press- oder Kalandrierprozess, von einer oder mehreren nicht-verstärkten Membranen mit einer Verstärkungsstruktur erhalten werden. Membranen mit mehreren Verstärkungsstrukturen können z.B. durch Lamination (z.B. Press- oder Kalandrierprozess) von zwei oder mehr Membranen erhalten werden, von denen mindestens zwei Membranen über eine Verstärkungsstruktur verfügen. Auf diese Weise können Membranen mit zwei oder mehr Verstärkungsstrukturen erhalten werden, die eine sehr hohe Dimensionsstabilität, also eine Flächenausdehnung bei Verwahrung der Membran für 2 Stunden in 100 °C warmem Wasser bei einem Luftdruck von 1013 hPa von weniger als 10% aufweisen.
Geeignete Verstärkungsstrukturen sind beispielsweise gewebte oder nicht-gewebte Polymerstrukturen, poröse keramische Dünnfilme, perforierte Polymerfilme oder perforierte anorganische Filme oder (bi-)axial gereckte, poröse Polymerfilme. Bevorzugte Verstärkungsstrukturen sind auch poröse Dünnschichten aus expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE) oder Polyolefin, die die Herstellung dünner und gleichzeitig starker Membranen mit hervorragender elektrochemischer Leistung erlauben.
Gemäß einem zweiten beispielhaften Verfahren können dimensionsstabile Membranen durch die Erhöhung des Äquivalentgewichts (EW; eng.: equivalent weight) des lonomers erhalten werden, wodurch die Wasseraufnahme der Membran begrenzt wird. Das EW gibt dabei die Masse des Polymers pro Mol der im lonomer enthaltenen ionischen funktionellen Gruppen an.
Entsprechend des verwendeten lonomertyps kann der Fachmann das geeignete minimale Äquivalentgewicht ermitteln, bei dem die gewünschte Flächenausdehnung, beispielsweise weniger als 20%, nicht überschritten wird. Nicht-verstärkte Membranen, die lonomere mit solch einem Äquivalentgewicht umfassen, können z.B. durch Extrusion oder lösungsmittelbasierte Beschichtungsprozesse hergestellt werden.
Die zuvor genannten Verfahren, d.h. die Einführung einer oder mehrerer Verstärkungsstrukturen und die Erhöhung des Äquivalentgewichts, können weiterhin kombiniert werden.
Grundsätzlich kann das Verfahren, mittels dem die Einführung einer oder mehrerer Verstärkungsstrukturen in die Membran vorgesehen ist, bevorzugt sein, da dünne Membranen, z.B. mit einer Schichtdicke im Bereich von 50 µm, mit sehr guter Dimensionsstabilität, guten mechanischen Eigenschaften und geringem ionischen Widerstand erhalten werden können, was für die Verwendung der vorliegenden Erfindung in Wasserelektrolysezellen besonders vorteilhaft ist.
Die in der erfindungsgemäß eingesetzten Polymerelektrolytmembran und in den Katalysatorschichten eingesetzten lonomere sind im Einzelnen nicht beschränkt und können perfluorierte lonomere (PFSA), teilfluorierte oder kohlenwasserstoff-basierte (nicht fluorierte) lonomere sein, wobei unterschiedliche lonomere in den unterschiedlichen Lagen der katalysatorbeschichteten Membran verwendet werden können.
Weiterhin kann die Membran aus Teilschichten aufgebaut sein, die unterschiedliche lonomere umfassen können. Beispiele für lonomere vom PFSA-Typ sind Nafion® der Firma Chemours, Aquivion® von Solvay Specialty Polymers, lonomere der Firma 3M, Aciplex® von Asahi Kasei oder Flemion® der Firma Asahi Glass. Beispiele für kohlenwasserstoff-basierte lonomere sind sulfonierte Poly-Ether-Kethone (sPEK), sulfonierte Poly-Ether-Ether-Ketone (sPEEK), sulfonierte Poly-Keton-Ketone (sPKK), sulfonierte Poly-Sulfone (sPSU) und sulfonierte Poly-Ether-Sulfone (sPES).
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung beträgt eine Flächenausdehnung der katalysatorbeschichteten Membran weniger als 15% und insbesondere weniger als 10%, nach Verwahrung für zwei Stunden in 100 °C warmem Wasser bei einem Luftdruck von 1013 hPa, wie weiter unten beschrieben. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der katalysatorbeschichteten Membran verbessert und bei gegebener Stromdichte eine besonders geringe Spannung erzielt werden.
Um die Kosten für die katalysatorbeschichtete Membran bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad weiter zu senken, ist das Flächengewicht des edelmetallhaltigen Katalysators, bezogen auf den Gehalt an Edelmetall, vorzugsweise kleiner oder gleich 0,4 mg/cm² und insbesondere kleiner oder gleich 0,35 mg/cm².
Vorteilhaft im Lichte einer optimierten katalytischen Leistung der katalysatorbeschichteten Membran bei gleichzeitig minimalem finanziellen Aufwand, ist das Flächengewicht des edelmetallhaltigen Katalysators, bezogen auf den Gehalt an Edelmetall, vorzugsweise größer oder gleich 0,02 mg/cm² und insbesondere größer oder gleich 0,05 mg/cm².
Aufgrund der sehr guten OER Aktivität ist das Edelmetall des mindestens einen edelmetallhaltigen Katalysators insbesondere ausgewählt aus Iridium und Ruthenium. Dies bedeutet, dass sowohl Iridium als auch Ruthenium einzeln als edelmetallhaltige Katalysatoren eingesetzt werden können, oder aber in Kombination.
Besonders vorteilhaft im Lichte einer hohen Katalysatorstabilität bei gleichzeitig hervorragender OER Aktivität ist der edelmetallhaltige Katalysator ausgewählt aus Iridiumoxid, Rutheniumoxid, Mischungen daraus und Legierungen davon. Andere Elemente können zur Verbesserung der Aktivität und/oder Stabilität des OER-Katalysator beigemischt werden. Etwaige Legierungsmetalle können insbesondere ausgewählt sein aus Zinn (Sn), Niob (Nb), Nickel (Ni), Tantal (Ta), Titan (Ti), Kobalt (Co), Zink (Zn), Platin (Pt), Eisen (Fe), Silizium (Si) und Cer (Ce), wobei die Legierungsmetalle mit einem Gehalt von weniger als 50 Gew.-% in der Legierung enthalten sind.
Iridium- und Rutheniumoxid können beispielsweise in Form von (Nano-)Partikeln oder als auf Substrate beschichtete Dünnfilme vorliegen. Im Falle von (Nano-)Partikeln können die Katalysatoroxide freistehend, agglomeriert oder fein dispergiert auf einem Substrat, typischerweise Pulvern mit hoher spezifischer Oberfläche, wie z.B. Titanoxid, vorliegen. Wenn die Katalysatoren als Dünnfilme vorliegen, können entweder anorganische, z.B. keramische oder organische Verbindungen, z.B. polyaromatische Moleküle wie Perylene, als Substrat verwendet werden.
Die OER-Katalysatoroxide können durch nasschemische Methoden, wie beispielsweise einem Ausfällen von Hydroxiden ausgehend von löslichen Salzen mit anschließender thermischer Behandlung in Luft, oder durch thermische, trockene Prozesse (z.B. „Adam's fusion method“) oder durch Gasphasenprozesse erhalten werden. J. Hansaem und L. Jaeyoung (Journal of Energy Chemistry, Vol. 46, July 2020, S. 152-172) fassen beispielhaft verschiedene Methoden zur Synthese von Iridiumoxid zusammen.
Zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades des edelmetallhaltigen Katalysators bei niedriger Beladung und gleichzeitig hoher Leitfähigkeit der Anode, ist der edelmetallhaltige Katalysator vorzugsweise auf anorganischen und/oder keramischen Trägern, insbesondere auf Titanoxid und/oder Nioboxid und/oder Antimon-dotiertes Nioboxid und/oder Zinnoxid und/oder Antimon-dotiertes Zinnoxid geträgert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Kathode einen platinhaltigen und/oder palladiumhaltigen Kathodenkatalysator, wobei der platinhaltige und/oder palladiumhaltige Kathodenkatalysator insbesondere auf einem kohlenstoffhaltigen Material geträgert vorliegt. Dies ist vorteilhaft, da platinhaltige und/oder palladiumhaltige Kathodenkatalysatoren eine besonders hohe HER-Aktivität aufweisen, was zur Leistungsdichte der erfindungsgemäßen katalysatorbeschichteten Membran beiträgt. Hierbei ist ferner anzumerken, dass das Vorsehen der Kathode die Dimensionsstabilität der katalysatorbeschichteten Membran im Wesentlichen nicht beeinflusst, so dass auch für eine katalysatorbeschichtete Membran mit Anode und Kathode gilt, dass die Flächenausdehnung der katalysatorbeschichteten Membran weniger als 20% nach Verwahrung für zwei Stunden in 100 °C warmem Wasser bei einem Luftdruck von 1013 hPa, beträgt.
Weiter vorteilhaft weist die Protonenaustauschmembran eine Schichtdicke von 5 bis 120 µm, insbesondere von 15 bis 90 µm und insbesondere von 35 bis 75 µm auf. Dadurch wird eine optimale Balance zwischen Wirkungsgrad und Dimensionsstabilität erreicht.
Weiterhin können auch Membranen mit einer größeren Dicke, z.B. bis zu 200 µm, eingesetzt werden, wodurch jedoch aufgrund des hohen Membranprotonenwiderstands vor allem bei hohen Stromdichten eine signifikante Reduzierung des Wirkungsgrads auftritt. Werden Membranen im unteren Dickenbereich verwendet, also von ungefähr 50 µm und weniger, ist vorzugsweise ein kohlenwasserstoff-basiertes lonomer mindestens in einer Teilschicht der Membran enthalten, um die Gaspermeabilität von einer Seite der katalysatorbeschichteten Membran zur anderen Seite der katalysatorbeschichteten Membran zu reduzieren. Kohlenwasserstoffbasierte lonomere besitzen eine intrinsisch geringere Gaspermeabilität gegenüber PFSA-Ionomeren. Insbesondere der Wasserstoff-Übertritt sollte minimiert werden, um die Bildung explosiver Gemische auf der Anodenseite und/oder den Verlust in der Stromeffizienz zu vermeiden. Weiterhin ist im unteren Dickenbereich der Einsatz verstärkter Membranen bevorzugt, um die mechanischen Eigenschaften und die Langzeitstabilität - viele Tausend Betriebsstunden - zu verbessern.
Weiter vorteilhaft umfasst die Protonenaustauschmembran mindestens einen Rekombinationskatalysator und hierunter insbesondere Platinpartikel. Die Platinpartikel liegen vorzugsweise fein dispergiert innerhalb der Membran vor. Der Rekombinationskatalysator katalysiert die Reaktion von Wasserstoff, der von der Kathode auf die Anode übertritt, mit Sauerstoff von der Anodenseite, um so die Bildung explosionsfähiger Gemische auf der Anodenseite einer Zelle zu unterbinden.
Anoden und Kathoden der katalysatorbeschichteten Membran der vorliegenden Erfindung können nach herkömmlichen Methoden hergestellt werden. Dazu wird beispielsweise ein pulverförmiger edelmetallhaltiger Katalysator zusammen mit einem ionomeren Bindemittel in einem organischen Lösungsmittel oder in einer Mischung aus Wasser und einem oder mehreren organischen Lösungsmitteln dispergiert. Diese Dispersion wird anschließend gerührt, wahlweise in einem hoch-energetischen Mischer, um eine gute Dispersion zu ermöglichen und Katalysatoraggregate zu verkleinern. Die so erhaltene Tinte oder Paste wird dann unter Verwendung einer Beschichtungs- oder Druckvorrichtung direkt auf die Membranoberfläche (die erste oder zweite Seite der Protonenaustauschmembran) oder zunächst auf ein inertes Substrat, ein sogenanntes Decal, beschichtet oder gedruckt. Als Beschichtungs- oder Druckvorrichtung dient z.B. ein Rakel, eine Schlitzdüse, eine Beschichtungswalze, oder Siebdruck- oder Tiefdruckverfahren. Das flüssige Medium wird anschließend verdunstet und eine dünne Elektrodenschicht erhalten. Wenn eine oder beide Elektroden auf ein inertes Substrat beschichtet vorliegen, wird die getrocknete Elektrode anschließend durch die Anwendung von Wärme und Druck, also durch eine sogenannte Decaltransfermethode, auf die Membranoberfläche übertragen.
Weiterhin kann in einer alternativen Ausführungsform die Tinte oder Paste zur Herstellung der Kathode direkt auf eine poröse Transportschicht, insbesondere eine Gasdiffusionsschicht, beschichtet oder gedruckt werden. In diesem Fall ist der Begriff Gasdiffusionselektrode (GDE) gebräuchlich. Die Anode wird über ein Decalverfahren oder über Membrandirektbeschichtung auf die Membran aufgebracht, wodurch eine einseitig katalysatorbeschichtete Membran oder eine so genannte Halb-CCM erhalten wird. Die (beidseitig) katalysatorbeschichtete Membran wird anschließend beim Einbau in der Elektrolysezelle erhalten, wobei unter den Betriebsbedingungen der Zelle eine Verbindung zwischen Kathodenkatalysatorschicht und Membran erhalten wird.
Ebenfalls erfindungsgemäß beschrieben wird auch eine Wasserelektrolysezelle, die eine wie vorstehend offenbarte katalysatorbeschichtete Membran umfasst. Aufgrund der Verwendung der erfindungsgemäßen katalysatorbeschichteten Membran zeichnet sich auch die erfindungsgemäße Wasserelektrolysezelle durch eine hohe Leistungsdichte und einen hohen Wirkungsgrad bei relativ geringen Kosten für die Herstellung aus.
BEISPIELE
Methoden
Bestimmung der Dimensionsstabilität (Flächenausdehnung) von Membranen bzw. katalysatorbeschichteten Membranen (kurz: CCMs) unter Wasseraufnahme
Eine Membran oder eine einseitig oder beidseitig katalysatorbeschichtete Membran (Halb-CCM oder CCM) wurde bei 21 °C und 50% relative Feuchte solange konditioniert, bis sich die Größe/Dimension nicht weiter änderte. Anschließend wurde ein Quadrat mit einer Kantenlänge (L) von 80 mm x 80 mm präzise ausgeschnitten, beispielsweise unter Verwendung einer Stanzform (L_trocken = 80 mm). Die beiden Kanten wurden dabei entlang der Maschinenrichtung bzw. Quermaschinenrichtung ausgerichtet. Die Richtung wurde durch einen wasserfesten Stift markiert. Anschließend wurde das quadratische Stück (Membran, Halb-CCM oder CCM) für 2 h in 100 °C warmem Wasser bei einem Luftdruck von 1013 hPa verwahrt. Das Stück wurde danach aus dem Wasser genommen, überschüssige Wassertropfen schnell abgetupft und die Kantenlängen des Quadrats wurden mit einer Schieblehre mit einer Auflösung von 0,01 mm gemessen, wodurch die Kantenlängen L_1,nass und L_2,nass erhalten wurden.
Die Flächenänderung (%) errechnete sich nach folgender Formel: $100 \times [(L_{1, nass} \times L_{2, nass}) - L_{trocken}^{2}] {/L}_{trocken}^{2} .$
Die Messung des Quellverhaltens und somit der Flächenausdehnung der Membran, der Halb-CCM bzw. der CCM, bei 100 °C (dies entspricht der Temperatur von 100 °C warmem Wasser bei einem Luftdruck von 1013 hPa bei einem Luftdruck von 1013 hPa) ist eine etablierte Bedingung im Stand der Technik und korreliert weiterhin mit dem Quellverhalten der Membran und damit auch dem Quellverhalten der Halb-CCM oder CCM in Wasser auch bei anderen Bedingungen, z.B. bei Raumtemperatur und insbesondere in warmem Wasser, in dem die Membran bzw. die Halb-CCM oder CCM, normalerweise betrieben wird. Mit anderen Worten zeigen die Membranen/Halb-CCMs/CCMs mit einem größeren Quellverhalten bei 100 °C und damit einer hohen Flächenausdehnung ebenfalls bei geringeren Temperaturen ein größeres Quellverhalten. Die Messung des Quellverhaltens bei 100 °C bietet jedoch den Vorteil, dass diese Temperatur durch den Siedepunkt des Wassers sehr kontrolliert ist und wird daher erfindungsgemäß angewandt.
Leistung/Wirkunasarad in der Wasserelektrolvsezelle
Der Wirkungsgrad der CCM wurde in einer Einzelzelle mit einer aktiven Fläche von 25 cm² gemessen. Die Zelle bestand aus platinierten Titanplatten mit einem stollenprofilartigen Flussfeld („column bar flow field“ Design) auf der Anodenseite und der Kathodenseite. Die Flussfeldplatte auf der Kathodenseite war zusätzlich vergoldet. Ein Titansinter (1 mm Dicke) und Kohlenstoffpapier (Toray TGP-H-120) wurden als poröse Transportschicht und Gasdiffusionslage auf der Anodenseite bzw. auf der Kathodenseite verwendet. Die Zelle wurde mit sechs M8-Schrauben mit einem Drehmoment von 10 Nm verschlossen. De-ionisiertes Wasser mit einer Leitfähigkeit von weniger als 1 µS/cm wurde auf der Anodenseite zirkuliert. Die Zelle wurde innerhalb von 20 min durch auf den Endplatten aufgebrachte Heizkissen von Raumtemperatur auf 60 °C erwärmt. Anschließend wurde die Temperatur innerhalb von 20 min auf 80 °C erhöht. Die Konditionierung erfolgte durch zehnfaches Zyklen zwischen 0 und 1 A/cm² mit einer Haltezeit von 5 min für jeden Schritt. Zum Abschluss der Konditionierung wurde die Zelle für 10 min bei 1 A/cm² gehalten.
Strom-Spannungs-Kennlinien (Polarisationskurven) wurden bei 80 °C und 65 °C aufgenommen, indem die Stromdichte von kleinen zu großen Werten (A/cm²) mit einer Haltezeit von jeweils 10 min erhöht wurde. Die Schritte waren im Einzelnen:

0,01 - 0,02 - 0,03 - 0,05 - 0,08 - 0,1 - 0,2 - 0,4 - 0,6 - 0,8 - 1,0 - 1,2 - 1,4 - 1,6 - 1,8 - 2,0 - 2,25 - 2,5 - 2,75 - 3,0 (jeweils in A/cm²).

Anodentintenherstellung
20,00 g eines kommerziellen Iridium-basierten Katalysators (Elyst Ir75 0480; Umicore, Deutschland, IrO₂ geträgert auf TiO₂; 75 Gew.-% Iridium) wurden mit 10,20 g lonomerdispersion Nafion® D2020 (Chemours; USA) mit einem lonomeranteil von 20,2 Gew.- % gemischt. Anschließend wurden 0,5 g Wasser und 69,30 g 2-Propanol hinzugefügt. Die Mischung wurde mittels einer Perlmühle unter Verwendung von kugelförmigen Zirconia-Perlen mit einem Durchmesser von 1 mm für 30 min dispergiert. Die Rührscheibe hatte einen Durchmesser von 45 mm und es wurde eine Rotationsgeschwindigkeit von 2130 Umdrehungen pro Minute eingestellt. Die Qualität der Dispersion wurde visuell durch das Prüfen des Fehlens von Katalysatoraggregaten sichergestellt. Die Dispersionsqualität wurde weiterhin durch eine gute Beschichtungsqualität, d.h. keine sichtbaren Aggregate oder Streifen in der Nass- sowie Trockenschicht, bestätigt.
Herstellung von Anoden mit unterschiedlicher Iridiumbeladung auf einem Decal
Anodentinten wurden mit Hilfe eines Spiral-Applikators (engl.: wire bar) auf ein Glasfaserverstärktes PTFE-Substrat, in anderen Worten ein Decal, beschichtet. Die Nassschichtdicke wurde schrittweise durch die Auswahl unterschiedlicher Spiral-Applikatoren mit jeweils steigender Drahtstärke erhöht, um so eine Iridiummetallbeladung (Flächengewicht) von 0,15 mg/cm², 0,25 mg/cm², 0,5 mg/cm², 1,0 mg/cm² und 2,25 mg/cm² zu erhalten. Hierbei wurde die Nassschichtdicke zwischen 10 µm und 285 µm variiert, indem Spiral-Applikatoren mit den entsprechenden Drahtdurchmessern ausgewählt wurden. Nach der Beschichtung wurden die nassen Schichten in einem Ofen bei 110 °C für 5 min getrocknet. Die tatsächliche Iridiummetallbeladung wurde gravimetrisch durch Erfassen des genauen Decalgewichts vor und nach der CCM-Lamination bestimmt, wie in Beispiel 1 beschrieben.
Beispiel 1: Herstellung katalvsatorbeschichteter Membranen (CCMs) mit hoher Dimensionsstabilität (niedriger Flächenausdehnung) und unterschiedlicher Katalysatorbeladung der Anode
Eine Membran mit hoher Dimensionsstabilität und einer Dicke von 41 µm umfassend zwei expandierte PTFE (ePTFE) Verstärkungsstrukturen wurde durch Laminieren einer nicht-verstärkten PFSA-Membran mit einer Dicke von 25 µm zwischen zwei verstärkte PFSA-Membranen mit einer Dicke von jeweils 8 µm erhalten. Die Lamination wurde in einer Presse bei einer Temperatur von 160 °C und einem Druck von 1,5 MPa für 1 min durchgeführt. Die Maschinenrichtungen der drei Membranen wurden jeweils parallel zueinander ausgerichtet. Die lineare Ausdehnung der Membran durch Aufnahme von Wasser (100 °C) wurde entsprechend der beschriebenen Methode gemessen und ergab 2,0% bzw. 3,3%. Die resultierende Flächenausdehnung ergab 5,4%.
Fünf CCMs wurden mit diesem Membrantyp in einer Presse mit einem Decal-Verfahren hergestellt. Hierzu wurden die Membranen zwischen Anoden- und Kathodendecal (5 cm x 5 cm) angeordnet und bei einer Temperatur von 180 °C und einem Druck von 1,5 MPa für 1 min gepresst, so dass die Elektrodenschichten vom Decal-Substrat auf die Membranen übertragen wurden.
Die Kathode war für alle CCMs identisch und bestand aus einem Katalysator, wobei Platin auf Kohlenstoff geträgert vorlag, sowie einem Nafion® lonomerbinder. Das Katalysator-Ionomer-Gewichtsverhältnis in der Kathode betrug 3:1 und die Platinbeladung lag bei 0,3 mg/cm². Die Kathode war ebenfalls auf glasfaserverstärktem PTFE aufgetragen.
Die Anodenbeladung der unterschiedlichen CCMs wurde dagegen variiert, indem Anodendecals mit unterschiedlicher Beladung, wie im Abschnitt „Herstellung von Anoden mit unterschiedlicher Iridiumbeladung auf einem Decal“ beschrieben, zur Herstellung der CCMs verwendet wurden. Die tatsächliche Anodenbeladung wurde gravimetrisch bestimmt, indem das Gewicht des Anodendecals vor dem Transfer (Anodenelektrode auf PTFE-Substrat) und des Anodendecals nach dem Transfer (reines PTFE-Substrat) bestimmt wurde. Das Flächengewicht (Beladung) des Iridiums wurde durch Bilden der Differenz (Anodendecal minus reines PTFE-Substrat) und unter Einbeziehung der bekannten Zusammensetzung der trockenen Elektrodenschicht berechnet. Die folgenden Anodeniridiumbeladungen wurden für die fünf CCMs erhalten: 0,162 mg/cm², 0,261 mg/cm², 0,474 mg/cm², 1,029 mg/cm² und 2,072 mg/cm².
Die CCM mit einer Anodeniridiumbeladung von 0,261 mg/cm² wurde darüber hinaus zur Messung der Dimensionsstabilität unter Wasseraufnahme (100 °C, siehe Methodenbeschreibung) untersucht. Die CCM zeigte eine Dimensionsänderung in der Länge, von 1,6% und in der Breite von 3,0%. Dies entspricht einer Flächenausdehnung von 4,6%.
Durch die Verwendung einer Membran mit hoher Dimensionsstabilität wies auch die entsprechende CCM eine hohe Dimensionsstabilität auf.
Das Quellverhalten der gleichen CCM mit einer Anodeniridiumbeladung von 0,261 mg/cm² wurde zudem in einem Wasserbad bei geringeren Temperaturen untersucht. Bei Raumtemperatur betrug die Flächenausdehnung 3,9%, während bei einer Temperatur von 80 °C die Flächenausdehnung 4,1% betrug.
Vergleichsbeispiel 1: Herstellung einer CCM entsprechend dem Stand der Technik und unterschiedlicher Anodeniridiumbeladung
Die CCM entsprechend dem Stand der Technik wurde analog des Verfahrens von Beispiel 1 hergestellt, mit dem Unterschied, dass als Membran Nafion® NR212 (Chemours, USA) verwendet wurde. Diese Membran, die eine Dicke von ca. 50 µm aufweist, ist eine etablierte Membran in PEM-WE Veröffentlichungen.
Die lineare Dimensionsänderung der NR212-Membran unter Aufnahme von Wasser (100 °C) betrug 20,0% und 19,7%. Die resultierende Flächenausdehnung war 43,6%.
Die verwendeten Anoden und Kathoden entsprachen denjenigen aus Beispiel 1.
Die folgenden Anodeniridiumbeladungen wurden für die folgenden ebenfalls fünf CCMs erhalten: 0,155 mg/cm², 0,303 mg/cm², 0,504 mg/cm², 1,068 mg/cm² und 2,102 mg/cm².
Auch wenn die gleichen Elektroden wie in Beispiel 1 verwendet wurden, wurden leicht abweichende Beladungen im Vergleich zu den CCMs aus Beispiel 1 erhalten, da leichte Beladungsinhomogenitäten während der Beschichtung auf dem Decalsubstrat auftraten. Nichtsdestotrotz waren die Unterschiede so gering, dass ein sehr aussagekräftiger Vergleich der CCM-Serien getroffen werden konnte.
Die CCM mit NR212 mit einer Anodeniridiumbeladung von 0,303 mg/cm² wurde darüber hinaus zur Messung der Dimensionsstabilität unter Wasseraufnahme (100 °C, siehe Methodenbeschreibung) untersucht. Die CCM zeigte eine Dimensionsänderung in der Länge von 15,7% und in der Breite von 15,9%. Dies entspricht einer Flächenausdehnung von 34,1%.
Durch die Verwendung einer Membran mit geringer Dimensionsstabilität wies die entsprechende CCM ebenfalls eine geringe Dimensionsstabilität auf.
Das Quellverhalten der gleichen CCM mit einer Anodeniridiumbeladung von 0,303 mg/cm² wurde zudem in einem Wasserbad bei geringeren Temperaturen untersucht. Bei Raumtemperatur betrug die Flächenausdehnung 14,4%, während bei einer Temperatur von 80 °C die Flächenausdehnung 26,6% betrug.
Wie bereits im Abschnitt Methoden beschrieben wurde, korreliert das Quellverhalten in 100 °C warmem Wasser bei einem Luftdruck von 1013 hPa auch mit dem Quellverhalten bei geringeren Temperaturen.
Vergleich der Leistung/des Wirkungsgrads in Wasserelektrolysezellen - CCMs aus Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1
Die CCMs aus Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 wurden entsprechend der zuvor beschriebenen Methode (siehe Abschnitt „Leistung/Wirkungsgrad in der Wasserelektrolysezelle“) in einer Wasserelektrolysezelle elektrochemisch charakterisiert. Die Ergebnisse, d.h. die Zellspannung bei einer gegebenen Stromdichte als Funktion der Anodenkatalysatorbeladung (Anodenedelmetallbeladung), sind in 1 bis 4 dargestellt. Aus den Daten wird ersichtlich, dass CCMs mit einer hohen Dimensionsstabilität einen besseren Wirkungsgrad als CCMs mit einer Membran mit geringer Dimensionsstabilität bei einer Anodenkatalysatorbeladung von gleich oder weniger als 0,6 mg/cm² und Stromdichten von über 1 A/cm² unter den zwei untersuchten Temperaturen aufwiesen. Es sollte erwähnt werden, dass die für die Anwendung interessante Stromdichte bei höheren Stromdichten (> 1 A/cm²) liegt, um so eine große Menge an Wasserstoff pro Flächeneinheit des Elektrolyseurs und Zeit zu produzieren.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:

1 Die Zellspannung bei einer Stromdichte von 3,0 A/cm² als Funktion der Anodenkatalysatorbeladung bei einer Zelltemperatur von 80 °C für Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1,
2 Die Zellspannung bei einer Stromdichte von 1,2 A/cm² als Funktion der Anodenkatalysatorbeladung bei einer Zelltemperatur von 80 °C für Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1,
3 Die Zellspannung bei einer Stromdichte von 0,05 A/cm² als Funktion der Anodenkatalysatorbeladung bei einer Zelltemperatur von 80 °C für Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 und
4 Die Zellspannung bei einer Stromdichte von 3,0 A/cm² als Funktion der Anodenkatalysatorbeladung bei einer Zelltemperatur von 65 °C für Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1.

1 zeigt die Zellspannung von Wasserelektrolysezellen des Beispiels 1 und des Vergleichsbeispiels 1 bei einer Stromdichte von 3,0 A/cm² und einer Zelltemperatur von 80 °C für unterschiedliche Anodeniridiumbeladungen. Ein Vergleich zwischen einer CCM mit einer Membran mit hoher Dimensionsstabilität und damit geringer Flächenausdehnung gemäß der vorliegenden Erfindung (Dreiecke; Beispiel 1) und einer CCM mit einer Membran mit geringer Dimensionsstabilität und damit hoher Flächenausdehnung (Kreise; Vergleichsbeispiel 1) zeigt den Vorteil der Verwendung der dimensionsstabilen Membran bei einer Anodenbeladung unterhalb von 0,6 mg/cm² deutlich, wobei die Verbesserung der Zellspannung 40 mV und mehr beträgt.
2 zeigt die Zellspannung von Wasserelektrolysezellen des Beispiels 1 und des Vergleichsbeispiels 1 bei einer Stromdichte von 1,2 A/cm² und einer Zelltemperatur von 80 °C für unterschiedliche Anodeniridiumbeladungen. Ein Vergleich zwischen einer CCM mit einer Membran mit hoher Dimensionsstabilität und damit geringer Flächenausdehnung gemäß der vorliegenden Erfindung (Dreiecke; Beispiel 1) und einer CCM mit einer Membran mit geringer Dimensionsstabilität und damit hoher Flächenausdehnung (Kreise; Vergleichsbeispiel 1) zeigt den Vorteil der Verwendung der dimensionsstabilen Membran bei einer Anodenbeladung unterhalb von 0,6 mg/cm² deutlich.
3 zeigt die Zellspannung von Wasserelektrolysezellen des Beispiels 1 und des Vergleichsbeispiels 1 bei einer Stromdichte von 0,05 A/cm² und einer Zelltemperatur von 80 °C für unterschiedliche Anodeniridiumbeladungen. Die Leistung/der Wirkungsgrad im Bereich dieser geringen Stromdichte ist über den gesamten Anodenbeladungsbereich für beide Membrantypen ähnlich. Die Spannungsdifferenz zwischen der Beladung bei 2 mg/cm² und 0,2 mg/cm² liegt dabei im Bereich von 45 bis 50 mV, was einer Steigung von 45-50 mV/Dekade und damit der theoretischen Erwartung für einen Iridiumoxid-OER-Katalysator entspricht. Korrekterweise sollte die Steigung anhand der widerstandskorrigierten Zellspannung berechnet werden, allerdings ist die Korrektur, die nur wenige mV beträgt, bei so geringen Stromdichten vernachlässigbar, und da die Korrektur für beide Beladungen vernachlässigt wird, ändert sich die Steigung und damit auch die daraus gezogenen Schlussfolgerungen nicht.
4 zeigt die Zellspannung von Wasserelektrolysezellen des Beispiels 1 und des Vergleichsbeispiels 1 bei einer Stromdichte von 3,0 A/cm² und einer Zelltemperatur von 65 °C für unterschiedliche Anodeniridiumbeladungen. Ein Vergleich zwischen einer CCM mit einer Membran mit hoher Dimensionsstabilität und damit geringer Flächenausdehnung gemäß der vorliegenden Erfindung (Dreiecke; Beispiel 1) und einer CCM mit einer Membran mit geringer Dimensionsstabilität und damit hoher Flächenausdehnung (Kreise; Vergleichsbeispiel 1) zeigt den Vorteil der Verwendung der dimensionsstabilen Membran bei einer Anodenbeladung unterhalb von 0,6 mg/cm² deutlich, wobei die Verbesserung der Zellspannung 40 mV und mehr beträgt.
Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den 1 bis 4 Bezug genommen.

Claims

Katalysatorbeschichtete Membran umfassend: • eine Protonenaustauschmembran, • eine auf einer ersten Seite der Membran aufgebrachte Anode, umfassend mindestens einen edelmetallhaltigen Katalysator, wobei das Flächengewicht des edelmetallhaltigen Katalysators, bezogen auf den Gehalt an Edelmetall, kleiner oder gleich 0,6 mg/cm² ist und • eine auf einer zweiten Seite der Membran aufgebrachte Kathode, wobei eine Flächenausdehnung der katalysatorbeschichteten Membran weniger als 20% nach Verwahrung für zwei Stunden in 100 °C warmem Wasser, wie in der Beschreibung beschrieben, beträgt.
Katalysatorbeschichtete Membran nach Anspruch 1, wobei eine Flächenausdehnung der katalysatorbeschichteten Membran weniger als 15% und insbesondere weniger als 10%, nach Verwahrung für zwei Stunden in 100 °C warmem Wasser, wie in der Beschreibung beschrieben, beträgt.
Katalysatorbeschichtete Membran nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Flächengewicht des edelmetallhaltigen Katalysators, bezogen auf den Gehalt an Edelmetall, kleiner oder gleich 0,4 mg/cm² und insbesondere kleiner oder gleich 0,35 mg/cm² ist.
Katalysatorbeschichtete Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Flächengewicht des edelmetallhaltigen Katalysators, bezogen auf den Gehalt an Edelmetall, größer oder gleich 0,02 mg/cm² und insbesondere größer oder gleich 0,05 mg/cm² ist.
Katalysatorbeschichtete Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Edelmetall ausgewählt ist aus Iridium und Ruthenium.
Katalysatorbeschichtete Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der edelmetallhaltige Katalysator ausgewählt ist aus Iridiumoxid, Rutheniumoxid, Mischungen daraus und Legierungen davon.
Katalysatorbeschichtete Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der edelmetallhaltige Katalysator auf anorganischen und/oder keramischen Trägern, insbesondere auf Titanoxid und/oder Nioboxid und/oder Antimon-dotiertem Nioboxid und/oder Zinnoxid und/oder Antimon-dotiertem Zinnoxid, geträgert ist.
Katalysatorbeschichtete Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kathode einen platinhaltigen und/oder palladiumhaltige Kathodenkatalysator umfasst, wobei der platinhaltige und/oder palladiumhaltige Kathodenkatalysator insbesondere auf einem kohlenstoffhaltigen Material geträgert vorliegt.
Katalysatorbeschichtete Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Protonenaustauschmembran eine Schichtdicke von 5 bis 120 µm, insbesondere von 15 bis 90 µm und insbesondere von 35 bis 75 µm aufweist und/oder wobei die Protonenaustauschmembran mindestens einen Rekombinationskatalysator umfasst, insbesondere Platinpartikel.
Wasserelektrolysezelle umfassend eine katalysatorbeschichtete Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche.