DE10205849A1 - Proton-conducting ceramic membranes based on zirconium phosphates, processes for their production and their use in MEAs and fuel cells - Google Patents

Proton-conducting ceramic membranes based on zirconium phosphates, processes for their production and their use in MEAs and fuel cells

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft protonenleitende Keramikmembranen auf der Basis von Zirkoniumphosphaten, Verfahren zu deren Herstellung und die Verwendung derselben in MEAs und Brennstoffzellen. DOLLAR A Die hier beschriebenen Keramikmembranen stellen eine neue Klasse von protonenleitenden Membranen dar. Hierzu wird zunächst über ein spezielles Verfahren in einem Mikrojetreaktor nanoskaliges Zirkoniumphosphat hergestellt. Dieses Material wird dann auf einen flexiblen Träger als Suspension aufgebracht und verfestigt. Am Ende wird eine stoffundurchlässige, kationen-/protonenleitende Membran erhalten, die flexibel ist und problemlos in einer Brennstoffzelle verwendet werden kann.The present invention relates to proton-conducting ceramic membranes based on zirconium phosphates, processes for their production and the use thereof in MEAs and fuel cells. DOLLAR A The ceramic membranes described here represent a new class of proton-conducting membranes. For this, nanoscale zirconium phosphate is first produced using a special process in a microjet reactor. This material is then applied to a flexible carrier as a suspension and solidified. In the end, an impermeable, cation- / proton-conducting membrane is obtained, which is flexible and can be used in a fuel cell without any problems.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft protonenleitende Keramikmembranen auf der Basis von Zirkoniumphosphaten, Verfahren zu deren Herstellung und die Verwendung derselben in MEAs und Brennstoffzellen. The present invention relates to proton-conducting ceramic membranes based on Zirconium phosphates, process for their preparation and their use in MEAs and fuel cells.

Membranen sind das Herzstück einer Brennstoffzelle. Im Falle von protonenaustauschenden Membranen (PEMs) werden als Elektrolytmembranen im Wesentlichen mit einer sauren Gruppe modifizierte Polymere verwendet. Üblicherweise wird hier das Nation (DuPont, fluoriertes Grundgerüst mit einer Sulfonsäurefunktionalität) bzw. verwandte Systeme eingesetzt. Ein weiteres Beispiel für ein rein organisches, protonenleitendes Polymer sind die u. a. von Hoechst beschriebenen sulfonierten Polyetherketone (EP 0574 791 B1). Membranes are at the heart of a fuel cell. In the case of proton exchange Membranes (PEMs) are essentially called acidic with electrolyte membranes Group of modified polymers used. Usually the nation (DuPont, fluorinated backbone with a sulfonic acid functionality) or related systems used. Another example of a purely organic, proton-conducting polymer are u. a. sulfonated polyether ketones described by Hoechst (EP 0574 791 B1).

Alle diese Polymere haben den Nachteil, dass die Leitfähigkeit mit abnehmender Luftfeuchtigkeit stark abnimmt. Deshalb müssen diese Membranen vor dem Einsatz in der Brennstoffzelle in Wasser gequollen werden. Bei erhöhter Temperatur, wie es in der Reformat- oder Direktmethanol-Brennstoffzelle (RFC bzw. DMFC) unvermeidlich ist, sind diese Systeme nicht mehr oder nur noch eingeschränkt einsetzbar, da es leicht zu einem Austrocknen der Membran kommen kann. Ein weiteres Problem der Polymermembranen für die Verwendung in einer DMFC stellt die große Permeabilität für Methanol dar. Aufgrund des cross-over von Methanol auf die Kathodenseite kommt es zu einer starken Leistungseinbuße der Brennstoffzelle. All these polymers have the disadvantage that the conductivity decreases with decreasing Humidity decreases sharply. Therefore, these membranes must be used in the Fuel cells are swollen in water. At an elevated temperature, as in the reformate or direct methanol fuel cell (RFC or DMFC) is inevitable, these are systems can no longer be used or can only be used to a limited extent, since it can easily dry out Membrane can come. Another problem of polymer membranes for use in a DMFC represents the high permeability for methanol. Due to the crossover of Methanol on the cathode side leads to a severe loss of performance Fuel cell.

Aus allen diesen Gründen ist die Verwendung von organischen Polymermembranen für die RFC oder DMFC nicht optimal und für einen verbreiteten Einsatz von Brennstoffzellen müssen neue Lösungen gefunden werden. For all these reasons, the use of organic polymer membranes for the RFC or DMFC are not optimal and need for a widespread use of fuel cells new solutions are found.

Zwar sind aus der Literatur auch anorganische Protonenleiter bekannt (s. z. B. in "Proton Conductors", P. Colomban, Cambridge University Press, 1992), diese zeigen aber meist zu geringe Leitfähigkeiten oder die Leitfähigkeit erreicht erst bei hohen Temperaturen, typischerweise über 500°C technisch nutzbare Werte, wie z. B. bei den Defektperowskiten. Eine weitere Klasse der rein anorganischen Protonenleiter schließlich, die MHSO4-Familie, sind zwar gute Protonenleiter, gleichzeitig aber auch leicht in Wasser löslich, so dass sie für Brennstoffzellenanwendungen nicht in Frage kommen, da kathodenseitig als Produkt Wasser entsteht und die Membran damit im Laufe der Zeit zerstört würde. Seit längerem wird auch über die Eignung von glasartigen Systemen (Abe et. al., J. Sol-Gel Sci. Techn. 14 (1999), 273 ff; Minami et. al., Chem. Lett. (2000), 1314 ff) oder von Xerogelen (Anderson et. al., Chem. Mater. 12 (2000), 1762 ff) als protonenleitende Materialien diskutiert. Allerdings eignen sich diese Materialien aufgrund zu geringer Leitfähigkeiten nicht für einen Einsatz in Brennstoffzellen. Inorganic proton conductors are also known from the literature (see, for example, in "Proton Conductors", P. Colomban, Cambridge University Press, 1992), but these mostly show conductivities which are too low or the conductivity only reaches at high temperatures, typically above 500 ° C technically usable values, such as B. in the defect perovskites. Another class of purely inorganic proton conductors, the MHSO 4 family, are good proton conductors, but at the same time they are easily soluble in water, so that they are out of the question for fuel cell applications, since water is produced on the cathode side as a product and the membrane thereby that time would be destroyed. For a long time, the suitability of glass-like systems (Abe et. Al., J. Sol-Gel Sci. Techn. 14 (1999), 273 ff.; Minami et. Al., Chem. Lett. (2000), 1314 ff ) or by Xerogelen (Anderson et. al., Chem. Mater. 12 (2000), 1762 ff) as proton-conducting materials. However, due to insufficient conductivity, these materials are not suitable for use in fuel cells.

Die Zirkoniumphosphate (ZrP), in Form des α- oder γ-ZrP, sind seit langem als Protonenleiter bekannt (Alberti, Solid State Ionics 125 (1999), 91 ff). Da die Leitfähigkeit bei diesem Material im Wesentlichen durch die freien OH-Gruppen bestimmt wird, kommt einer großen Oberfläche eine wichtige Bedeutung zu. Für das reine α-ZrP wird in der Literatur (Glipa et al. Solid State Ioncis 97 (1997), 227 ff) eine Leitfähigkeit von 10-5 bis 10-6 S/cm bei mittlerer Luftfeuchtigkeit angegeben. Ein Hinweis auf die mögliche Verwendung von Zirkoniumphosphaten in Membranen von Brennstoffzellen findet sich bei Linkov (EP 0 838 258), allerdings ohne genaue Angaben über die Güte der Membran, insbesondere deren Protonenleitfähigkeit zu machen. Diese in EP 0 838 258 beschriebene Membran basiert außerdem auf einer konventionellen, sehr dicken und nicht flexiblen Membranen. Aufgrund der Membrandicke lassen sich damit nur Membranen mit einem hohen Flächenwiderstand herstellen. Für Brennstoffzellenanwendungen dürfen hingegen Leitfähigkeiten von 10-3 S/cm nicht unterschritten und Membrandicken von 100 µm nicht überschritten werden. Für praktische Anwendungen sind die von Linkov beschriebenen starren Membranen in der Brennstoffzelle deshalb ungeeignet. The zirconium phosphates (ZrP), in the form of the α- or γ-ZrP, have long been known as proton conductors (Alberti, Solid State Ionics 125 (1999), 91 ff). Since the conductivity of this material is essentially determined by the free OH groups, a large surface area is of great importance. For pure α-ZrP, the literature (Glipa et al. Solid State Ioncis 97 (1997), 227 ff) specifies a conductivity of 10 -5 to 10 -6 S / cm at medium atmospheric humidity. Linkov (EP 0 838 258) provides an indication of the possible use of zirconium phosphates in membranes of fuel cells, but without giving precise details of the quality of the membrane, in particular its proton conductivity. This membrane described in EP 0 838 258 is also based on a conventional, very thick and inflexible membrane. Due to the membrane thickness, only membranes with a high surface resistance can be manufactured. For fuel cell applications, however, conductivities must not fall below 10 -3 S / cm and membrane thicknesses of 100 µm must not be exceeded. The rigid membranes in the fuel cell described by Linkov are therefore unsuitable for practical applications.

Ein weiteres Problem bei der Verwendung der hier genannten anorganischen Protonenleiter in der Brennstoffzelle liegt darin, dass diese Keramiken sich praktisch überhaupt nicht als dünne Membranfolie herstellen lassen. Da der Elektrolyt damit automatisch sehr dick gefertigt werden muss, liegt der Gesamtwiderstand der Zelle, selbst bei hoher spezifischer Leitfähigkeit, immer recht hoch. Hohe Leistungsdichten der Brennstoffzellen wie sie für technische Anwendungen, z. B. im Automobil, unabdingbar sind, lassen sich damit nicht erzielen. Another problem when using the inorganic proton conductor mentioned here in The fuel cell lies in the fact that these ceramics are practically not thin at all Have membrane film made. Because the electrolyte is automatically made very thick the total resistance of the cell, even with high specific conductivity, is always Quite high. High power densities of fuel cells as used for technical applications z. B. in the automobile, are indispensable, can not be achieved.

Es sind aber auch flexible, großteils anorganische protonenleitende Membranen bekannt (WO 99/62620). Diese vereinigen die Vorteile organischer Membranfolien (hohe Flexibilität, geringe Membrandicke) mit denen anorganischer, protonenleitender Systeme (unkritischer Wasserhaushalt, Einsatzfähigkeit bis 200°C, kein Methanol-cross-over). Auch diese Materialien eignen sich aber aufgrund zu geringer Leitfähigkeiten und damit zu geringer Leistungsdichten noch nicht für einen Einsatz in Brennstoffzellen. Zudem ist ein wie in WO 99/62620 beschriebener Verbundwerkstoff nicht für einen Einsatz in einer Brennstoffzelle unter realen Bedingungen auch deshalb nicht geeignet, da für diese Anwendungen die Elektrolytmembran absolut stoffundurchlässig sein muss, da es ansonsten zu einer direkten Reaktion der Reaktionspartner (Wasserstoff bzw. Methanol auf der Anodenseite und Sauerstoff bzw. Luft auf der Kathodenseite) kommt. Weiterhin ist es unverzichtbar, dass der durchbrochene Träger sowohl im Innern als auch an beiden Oberflächen die ionenleitenden Schichten aufweist, da ein Kontakt zwischen Elektrolyt und Elektroden in der sogenannten MEA (membrane electrode assembly) existieren muss um den Stromkreis in der Brennstoffzelle zu schließen. Weiterhin ist das in WO 99/62620 als vorzugsweise einzusetzender Träger beschriebene Stahlgewebe für Brennstoffzellen-Anwendungen absolut ungeeignet, da beim Betrieb der Brennstoffzelle sehr leicht Kurzschlüsse zwischen den Elektroden entstehen. However, flexible, largely inorganic proton-conducting membranes are also known (WO 99/62620). These combine the advantages of organic membrane foils (high flexibility, low membrane thickness) with those of inorganic, proton-conducting systems (less critical Water balance, usability up to 200 ° C, no methanol cross-over). This too However, materials are suitable due to insufficient conductivity and therefore too low Power densities not yet for use in fuel cells. In addition, is like in Composite material described in WO 99/62620 not for use in a fuel cell Also not suitable under real conditions, because for these applications the Electrolyte membrane must be absolutely impermeable, otherwise it will be a direct Reaction of the reactants (hydrogen or methanol on the anode side and oxygen or air on the cathode side). Furthermore, it is essential that the openwork supports both inside and on both surfaces the ion-conducting Has layers, since a contact between the electrolyte and electrodes in the so-called MEA (membrane electrode assembly) must exist around the circuit in the Close fuel cell. Furthermore, this is preferred in WO 99/62620 Steel mesh to be used absolutely described for fuel cell applications Unsuitable, since short circuits between the Electrodes are created.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb flexible, anorganische protonenleitende Membranen mit einer Leitfähigkeit von mindestens 10-3 S/cm sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen. The object of the present invention was therefore to provide flexible, inorganic proton-conducting membranes with a conductivity of at least 10 -3 S / cm and a process for their production.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich nanoskalige Zirkoniumphosphate herstellen lassen und unter Verwendung dieser dünne flexible Membranen gefertigt werden können, die eine genügend große Protonenleitfähigkeit aufweisen. Damit steht eine neue Klasse von Membranen für RFC und DMFC zur Verfügung. Surprisingly, it was found that nanoscale zirconium phosphates are produced and can be made using these thin flexible membranes that have a sufficiently large proton conductivity. This represents a new class of Membranes for RFC and DMFC are available.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist deshalb eine protonenleitende Membran gemäß Anspruch 1, umfassend ein flächiges, mit einer Vielzahl von Öffnungen versehenes, flexibles Substrat mit einer auf und in diesem Substrat befindlichen Beschichtung, wobei das Material des Substrates ausgewählt ist aus gewebten oder ungewebten, nicht elektrisch leitfähigen Fasern von Glas oder Keramik oder einer Kombination solcher Materialien, welche dadurch gekennzeichnet, ist, dass die Beschichtung protonenleitende nanoskalige Partikel von Zirkoniumphosphat mit einer Primärpartikelgröße kleiner 5000 nm aufweist und undurchlässig für die Reaktionskomponenten in einer Brennstoffzelle ist. The present invention therefore relates to a proton-conducting membrane Claim 1, comprising a flat, provided with a plurality of openings, flexible Substrate with a coating located on and in this substrate, the material the substrate is selected from woven or non-woven, not electrically conductive Fibers of glass or ceramic or a combination of such materials, which thereby is characterized in that the coating proton-conducting nanoscale particles of Has zirconium phosphate with a primary particle size less than 5000 nm and impermeable for the reaction components in a fuel cell.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer protonenleitenden Membran gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei ein flächiges, mit einer Vielzahl von Öffnungen versehenes, flexibles Substrat in und auf diesem Substrat mit einer Beschichtung versehen wird, wobei das Material des Substrates gewebte oder ungewebte, nicht elektrisch leitfähige Fasern von Glas oder Keramik oder eine Kombination solcher Materialien aufweist, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass durch Aufbringen einer Suspension oder eines Sols, die bzw. das zumindest nanoskalige Zirkoniumphosphat-Partikel aufweist, auf das Substrat und durch zumindest einmaliges Erwärmen, bei welchem die Suspension oder das Sol auf und im Substrat verfestigt wird, eine protonenleitfähige Beschichtung aufgebracht wird. The present invention also relates to a method for producing a proton-conducting membrane according to at least one of claims 1 to 15, wherein a flat, flexible substrate with a large number of openings in and on it The substrate is provided with a coating, the material of the substrate being woven or non-woven, non-electrically conductive fibers of glass or ceramic or a Combination of such materials, which is characterized in that Application of a suspension or a sol, the or the at least nanoscale Has zirconium phosphate particles on the substrate and by at least one Heating, in which the suspension or the sol is solidified on and in the substrate, a proton conductive coating is applied.

Außerdem sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer Membran gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12 als protonenaustauschende Membran in Brennstoffzellen sowie Brennstoffzellen, die eine Membran gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweisen. The present invention also relates to the use of a membrane according to at least one of claims 1 to 12 as a proton exchange membrane in Fuel cells and fuel cells that have a membrane according to at least one of the Claims 1 to 12.

Die erfindungsgemäßen Membrane haben gegenüber den Membranen auf Basis von Polymeren den Vorteil, dass sie bei höheren Temperaturen eingesetzt werden können, der Wasserhaushalt unkritisch ist und es nicht zum Methanol-cross-over kommt. Gegenüber den bekannten keramischen protonenleitenden Membranen haben die erfindungsgemäßen Membranen den Vorteil, dass sie wesentlich dünner und flexibel hergestellt werden können. Compared to the membranes based on polymers, the membranes according to the invention have the advantage that they can be used at higher temperatures, the water balance is not critical and there is no methanol crossover. Compared to the known Ceramic proton-conducting membranes have the membranes of the invention The advantage that they can be made much thinner and more flexible.

Die erfindungsgemäßen Membranen sind gasdicht bzw. undurchlässig für die Reaktionskomponenten in einer Brennstoffzelle, wie z. B. Wasserstoff, Sauerstoff, Luft und/oder Methanol. Unter gasdicht bzw. undurchlässig für die Reaktionskomponenten wird im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden, dass durch die erfindungsgemäßen Membranen weniger als 50 Liter Wasserstoff und weniger als 25 Liter Sauerstoff pro Tag, Bar und Quadratmeter hindurchtritt und die Permeabilität der Membran für Methanol deutlich geringer ist als bei handelsüblichen Nafion-Membranen, die üblicherweise ebenfalls als undurchlässig bezeichnet werden. The membranes according to the invention are gas-tight or impermeable to Reaction components in a fuel cell, such as. B. hydrogen, oxygen, air and / or methanol. Under gas-tight or impermeable to the reaction components in the Understand the present invention that through the membranes of the invention less than 50 liters of hydrogen and less than 25 liters of oxygen per day, bar and Square meter passes through and the permeability of the membrane for methanol significantly lower is as with commercial Nafion membranes, which are usually also considered impermeable be designated.

Dadurch, dass eine Suspension aus nanoskaligen Zirkoniumphosphat-Partikeln mit einer bestimmten Größe in und auf dem Substrat als Beschichtung verfestigt wird, ist sichergestellt, dass eine gleichmäßigere Verteilung der Zirkoniumphosphat-Partikel über die gesamte Membran erreicht wird als sie z. B. durch die in EP 0 838 258 beschriebene Methode des Infiltrierens von Zirkoniumsalzen in eine poröse keramische Membran und anschließende Behandlung mit einer Polysäure, insbesondere einer Polyphosphorsäure erzielt werden kann, da sowohl die Verteilung der Partikel in der porösen keramischen Membran als auch die Größe der Partikel mehr oder weniger zufällig in Abhängigkeit von z. B. der Porosität und der Porengröße der porösen keramischen Membran bestimmt wird. Vermutlich durch die große Oberfläche der nanoskaligen Primärpartikel, die gleichmäßigere Verteilung der Zirkoniumphosphat-Partikel und/oder die einheitlichere Größe der Partikel sowie durch die dünne Ausführung der Membranen zeigen die erfindungsgemäßen Membranen einen deutlich geringeren Widerstand gegenüber der Protonenleitung als bisher bekannte keramische Membranen, die Zirkoniumphosphate enthalten. The fact that a suspension of nanoscale zirconium phosphate particles with a certain size is solidified in and on the substrate as a coating, it is ensured that a more even distribution of the zirconium phosphate particles over the entire Membrane is reached as z. B. by the method described in EP 0 838 258 Infiltrating zirconium salts in a porous ceramic membrane and subsequent Treatment with a polyacid, especially a polyphosphoric acid can be achieved because both the distribution of the particles in the porous ceramic membrane and the size the particle more or less randomly depending on z. B. the porosity and Pore size of the porous ceramic membrane is determined. Probably by the big one Surface of the nanoscale primary particles, the more uniform distribution of the Zirconium phosphate particles and / or the more uniform size of the particles as well as the thin Execution of the membranes clearly show the membranes of the invention lower resistance to proton conduction than previously known ceramic ones Membranes containing zirconium phosphates.

Die erfindungsgemäßen Membrane werden im Folgenden beispielhaft beschrieben, ohne dass die Erfindung auf diese Ausführungsarten beschränkt sein soll. The membrane according to the invention is described below by way of example, without the invention is to be limited to these embodiments.

Die erfindungsgemäßen protonenleitenden Membranen umfassen ein flächiges, mit einer Vielzahl von Öffnungen versehenes, flexibles Substrat mit einer auf und in diesem Substrat befindlichen Beschichtung, wobei das Material des Substrates ausgewählt ist aus gewebten oder ungewebten, nicht elektrisch leitfähigen Fasern von Glas oder Keramik oder einer Kombination solcher Materialien und sind dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung protonenleitende nanoskalige Partikel von Zirkoniumphosphat mit einer Primärpartikelgröße kleiner 5 µm aufweist und gasdicht bzw. undurchlässig für die Reaktionskomponenten in einer Brennstoffzelle, wie z. B. Wasserstoff, Sauerstoff, Luft und/oder Methanol ist. The proton-conducting membranes according to the invention comprise a flat one A plurality of openings provided, flexible substrate with one on and in this substrate located coating, wherein the material of the substrate is selected from woven or non-woven, non-electrically conductive fibers of glass or ceramic or one Combination of such materials and are characterized in that the coating Proton-conducting nanoscale particles of zirconium phosphate with a primary particle size has less than 5 microns and gas-tight or impermeable to the reaction components in one Fuel cell, such as B. is hydrogen, oxygen, air and / or methanol.

Die erfindungsgemäßen Membranen weisen vorzugsweise eine Dicke von kleiner 100 µm, vorzugsweise von kleiner 50 µm und ganz besonders bevorzugt kleiner 30 µm auf. Als besonders geeignet für die Verwendung der erfindungsgemäßen Membrane in Brennstoffzellen haben sich Membranen mit einer Dicke von 10 bis 50 µm herausgestellt, wobei dünnere Membranen, wenn Sie eine ausreichende Stabilität und Gasdichtheit bzw. Dichtheit gegenüber den Reaktionskomponenten in einer Brennstoffzelle aufweisen, ebenfalls eingesetzt werden können. The membranes according to the invention preferably have a thickness of less than 100 μm, preferably less than 50 µm and very particularly preferably less than 30 µm. As particularly suitable for the use of the membrane according to the invention in fuel cells have found membranes with a thickness of 10 to 50 microns, with thinner Membranes if you have adequate stability and gas tightness or tightness have the reaction components in a fuel cell, are also used can.

Durch die geringe Dicke wird ein besonders geringer Widerstand der erfindungsgemäßen protonenleitenden Membranen erzielt. Die als Basis für die Infiltration mit dem Zirkoniumphosphat eingesetzten Gewebe, Vliese, Filze oder flexiblen porösen Keramikmembranen selbst weisen natürlich einen sehr hohen elektrischen Widerstand auf, da ansonsten die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen Anode und Kathode bestehen würde. Due to the small thickness, a particularly low resistance of the invention proton-conducting membranes. The as the basis for infiltration with the Zirconium phosphate used fabrics, nonwovens, felts or flexible porous Ceramic membranes themselves of course have a very high electrical resistance, otherwise there would be a risk of a short circuit between the anode and cathode.

Damit eine erfindungsgemäße Membran mit elektrisch isolierenden Eigenschaften erhalten werden kann, weisen diese als Material für das Substrat vorzugsweise nicht elektrisch leitfähige Fasern, ausgewählt aus Glas, Aluminiumoxid, SiO2, SiC, Si3N4, BN, B4N, AlN, Sialone oder ZrO2 auf. So that a membrane according to the invention with electrically insulating properties can be obtained, these preferably have non-electrically conductive fibers as the material for the substrate, selected from glass, aluminum oxide, SiO 2 , SiC, Si 3 N 4 , BN, B 4 N, AlN, sialones or ZrO 2 .

Das Material des Substrates kann z. B. ein Gewebe, Vlies oder Filz aus nicht elektrisch leitenden Fasern bestehen, wobei das Substrat auch ein mit einer porösen keramischen Beschichtung versehenes Gewebe, Vlies oder Filz aus nicht elektrisch leitenden Fasern, wie z. B. eine Mikrofiltrationsmembran sein kann. Damit eine besonders gute Protonenleitfähigkeit erzielt werden kann, ist das Material des Substrates ganz besonders bevorzugt ein Vlies, Gewebe oder Filz aus Fasern aus Glas, welches keine poröse keramische Beschichtung aufweist, da bei Materialien ohne poröse Beschichtung eine höhere Leitfähigkeit erreicht werden kann, da die Porosität wegen des geringeren Todvolumens deutlich höher ist und somit mehr protonenleitfähiges Material pro Fläche der Membran zur Protonenleitung zur Verfügung steht. Die Verwendung von Vliesen hat gegenüber Geweben den Vorteil, dass Vliese nochmals eine höhere Porosität aufweisen als Gewebe, allerdings zeigen Gewebe eine höhere Festigkeit als Vliese. Je nach gewünschten Membraneigenschaften kann also die Verwendung eines Gewebes oder ein Vlieses aus Fasern von Glas als Substrat in der Membran bevorzugt sein. The material of the substrate can e.g. B. a fabric, fleece or felt made of non-electrical conductive fibers exist, the substrate also having a porous ceramic Coated fabric, fleece or felt made of non-electrically conductive fibers, such as z. B. can be a microfiltration membrane. This means a particularly good proton conductivity can be achieved, the material of the substrate is very particularly preferably a nonwoven, Glass fiber fabric or felt, which does not have a porous ceramic coating exhibits, since materials without porous coating achieve a higher conductivity can be, since the porosity is significantly higher due to the lower death volume and thus more proton conductive material per area of the membrane is available for proton conduction stands. The use of nonwovens has the advantage over fabrics that nonwovens again have a higher porosity than tissue, but tissue shows a higher strength as fleeces. Depending on the desired membrane properties, the use of a Fabric or a nonwoven made of glass fibers can be preferred as the substrate in the membrane.

Vom Prinzip sind alle als Fasern erhältlichen Glasmaterialien, wie z. B. E-, A-, ECR-, C-, D-, R-, S- und M-Glas für den Support einsetzbar. Vorzugsweise werden Fasern aus E, ECR oder S-Glas eingesetzt. Die bevorzugten Glassorten weisen einen geringen Gehalt an BaO, Na2O oder K2O auf. Vorzugsweise weisen die bevorzugten Glassorten einen Gehalt an BaO von kleiner 5 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt kleiner 1 Gew.-%, einen Gehalt an Na2O von kleiner 5 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt kleiner 1 Gew.-% und einen Gehalt an K2O von kleiner 5 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt kleiner 1 Gew.-% auf. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Fasern aus Glassorten bestehen, die keine der Verbindungen BaO, Na2O oder K2O aufweisen, wie z. B. E-Glas, da solche Glassorten beständiger gegenüber chemischen Einflüssen sind. In principle, all glass materials available as fibers, such as. B. E, A, ECR, C, D, R, S and M glass can be used for support. E, ECR or S glass fibers are preferably used. The preferred types of glass have a low content of BaO, Na 2 O or K 2 O. The preferred types of glass preferably have a BaO content of less than 5% by weight, very particularly preferably less than 1% by weight, a Na 2 O content of less than 5% by weight, very particularly preferably less than 1% by weight and a K 2 O content of less than 5% by weight, very particularly preferably less than 1% by weight. It may be advantageous if the fibers consist of types of glass which have none of the compounds BaO, Na 2 O or K 2 O, such as, for. B. E-glass, because such types of glass are more resistant to chemical influences.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsart der erfindungsgemäßen protonenleitenden Membran sind die Fasern, besonders bevorzugt die Glasfasern aus E- bzw. S-Glas, des Substrates mit einem dünnen Film aus SiO2, ZrO2, TiO2 oder Al2O3 oder mit Gemischen dieser Oxide beschichtet sind. Die oxidischen Beschichtungen sind insbesondere bei Glassorten bevorzugt, die eine geringe Säurestabilität aufweisen, wie z. B. E-Glas. Das Gewichtsverhältnis von oxidischer Beschichtung zu Glas im Träger beträgt vorzugsweise kleiner 15 zu 85, bevorzugt kleiner 10 zu 90 und ganz besonders bevorzugt kleiner 5 zu 95. In a particularly preferred embodiment of the proton-conducting membrane according to the invention, the fibers, particularly preferably the glass fibers made of E or S glass, are the substrate with a thin film made of SiO 2 , ZrO 2 , TiO 2 or Al 2 O 3 or with mixtures thereof Oxides are coated. The oxidic coatings are particularly preferred for types of glass that have low acid stability, such as. B. E-glass. The weight ratio of oxidic coating to glass in the carrier is preferably less than 15 to 85, more preferably less than 10 to 90 and very particularly preferably less than 5 to 95.

Weist die erfindungsgemäße Membran als Substrat ein Glasfasertextil, wie z. B. ein Glasfasergewebe, -filz oder -vlies auf, sind diese vorzugsweise aus Fasern mit einer Stärke von maximal 20 tex (mg/m), vorzugsweise aus Fasern mit einer Stärke von maximal 10 tex und ganz besonders bevorzugt aus Fasern mit einer Stärke von maximal 5,5 tex hergestellt worden. If the membrane according to the invention has a glass fiber textile, such as. B. a Glass fiber fabric, felt or fleece, these are preferably made of fibers with a thickness of maximum 20 tex (mg / m), preferably from fibers with a maximum strength of 10 tex and very particularly preferably made from fibers with a maximum thickness of 5.5 tex.

Ganz besonders bevorzugt weist das Substrat ein Glasfasergewebe auf, welches aus Fasern mit einer Stärke von 5,5 oder 11 tex hergestellt wurde. Die einzelnen Filamente solcher Fasern weisen z. B. einen Durchmesser von 5 bis 7 µm auf. Das vorzugsweise als Support eingesetzte Glasfasergewebe weist von 5 bis 30 Schussfäden/cm und von 5 bis 30 Kettfäden/cm, vorzugsweise von 10 bis 30 Schussfäden/cm und von 10 bis 30 Kettfäden/cm und ganz besonders bevorzugt von 15 bis 25 Schussfäden/cm und von 15 bis 25 Kettfäden/cm auf. Durch die Verwendung solcher Glasgewebe kann sichergestellt werden, dass die Membran eine genügend große Festigkeit bei gleichzeitig genügend großer Porosität des Substrates aufweist. The substrate very particularly preferably has a glass fiber fabric which consists of fibers 5.5 or 11 tex thick. The individual filaments of such fibers have z. B. a diameter of 5 to 7 microns. That is preferably used as support Glass fiber fabric has from 5 to 30 weft threads / cm and from 5 to 30 warp threads / cm, preferably from 10 to 30 wefts / cm and from 10 to 30 warps / cm and whole particularly preferably from 15 to 25 weft threads / cm and from 15 to 25 warp threads / cm. By the use of such glass fabric can ensure that the membrane is a has sufficient strength and at the same time sufficient porosity of the substrate.

Die Beschichtung der erfindungsgemäßen Membran weist vorzugsweise nanoskalige Zirkoniumphosphat-Partikel mit einer Primärpartikelgröße von 1 bis 1000 nm, bevorzugt nanoskalige Zirkoniumphosphat-Partikel mit einer Primärpartikelgröße 1 bis 100 nm und ganz besonders bevorzugt nanoskalige Zirkoniumphosphat-Partikel mit einer Primärpartikelgröße 10 bis 100 nm auf. Neben den nanoskaligen Zirkoniumphosphat-Primärpartikeln kann die erfindungsgemäße Beschichtung auch Agglomerate von Zirkoniumphosphat-Primärpartikeln mit einer Größe von 1 µm oder mehr, vorzugsweise von 1 bis 100 µm, besonders bevorzugt von 1 bis 25 µm aufweisen. The coating of the membrane according to the invention preferably has a nanoscale Zirconium phosphate particles with a primary particle size of 1 to 1000 nm, preferred nanoscale zirconium phosphate particles with a primary particle size of 1 to 100 nm and whole particularly preferably nanoscale zirconium phosphate particles with a primary particle size of 10 up to 100 nm. In addition to the nanoscale zirconium phosphate primary particles, the coating according to the invention also agglomerates of zirconium phosphate primary particles with a size of 1 μm or more, preferably from 1 to 100 μm, particularly preferred have from 1 to 25 µm.

Es kann vorteilhaft sein, wenn die Beschichtung der protonenleitenden Membran neben den nanoskaligen Zirkoniumphosphat-Partikeln zumindest ein Oxid der Metalle Al, Zr, Si, oder Ti aufweist. Diese Oxide können in der Beschichtung als miteinander z. B. durch Kleben, Sintern oder ähnliche Verfahren verbundene Partikel vorliegen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn ein mit einer keramischen Beschichtung versehener Träger zur Herstellung der protonenleitenden Membran eingesetzt wird. Die Oxide können aber auch als isolierte keramische Partikel vorliegen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Beschichtung dadurch erzeugt wird, dass Oxid-Partikel gemeinsam mit den Zirkoniumphosphat-Primärpartikeln als Sol oder Suspension auf den Träger aufgebracht und verfestigt werden. Insbesondere liegen isolierte Oxid-Partikel dann vor, wenn das Gewichtsverhältnis von Oxid zu Zirkoniumphosphat deutlich kleiner 1 : 1 beträgt. Die Oxid-Partikel weisen vorzugsweise eine Partikelgröße von 5 µm oder weniger, besonders bevorzugt eine Partikelgröße von 0,01 bis 1 µm oder 0,01 bis 0,1 µm auf, wobei die Partikel Primärpartikel oder Agglomerate sein können. It can be advantageous if the coating of the proton-conducting membrane next to the nanoscale zirconium phosphate particles at least one oxide of the metals Al, Zr, Si, or Ti having. These oxides can be in the coating as z. B. by gluing, sintering particles or similar processes are present. This is particularly the case if a carrier provided with a ceramic coating for producing the proton-conducting membrane is used. However, the oxides can also be isolated ceramic particles are present. This is especially the case when the coating is generated by the fact that oxide particles together with the Zirconium phosphate primary particles are applied as sol or suspension to the support and solidified. In particular, isolated oxide particles are present when the weight ratio of oxide to Zirconium phosphate is significantly less than 1: 1. The oxide particles preferably have one Particle size of 5 µm or less, particularly preferably a particle size of 0.01 to 1 µm or 0.01 to 0.1 µm, where the particles can be primary particles or agglomerates.

Die erfindungsgemäßen Membranen zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine Leitfähigkeit größer 1 mS/cm aufweisen. Vorzugsweise weisen die erfindungsgemäßen Membrane eine Protonenleitfähigkeit von 1 bis 100 mS/cm und ganz besonders bevorzugt von 1 bis 10 mS/cm bei Raumtemperatur und einer relativen Feuchtigkeit von 80 bis 90% auf. Die erfindungsgemäßen Membranen lassen sich vorzugsweise ohne Beschädigung bis herab zu einem Radius von 250 m, vorzugsweise von 10 cm und ganz besonders bevorzugt von 5 mm biegen. Die hohe Leitfähigkeit und die gute Biegbarkeit der erfindungsgemäßen Membranen hat den Vorteil, dass die erfindungsgemäßen Membranen in Brennstoffzellen fast jeder Geometrie eingesetzt werden können. The membranes according to the invention are distinguished by the fact that they have conductivity have greater than 1 mS / cm. The membrane according to the invention preferably has a Proton conductivity from 1 to 100 mS / cm and very particularly preferably from 1 to 10 mS / cm at room temperature and a relative humidity of 80 to 90%. The Membranes according to the invention can preferably be down to a radius without damage of 250 m, preferably of 10 cm and very particularly preferably of 5 mm. The high conductivity and the good flexibility of the membranes according to the invention has the Advantage that the membranes according to the invention in fuel cells of almost any geometry can be used.

Außerdem sind die Membranen in Wasser und Methanol unlöslich und zeigen, z. B. im Vergleich zu Nation, nur eine sehr geringe Permeabilität (praktisch keine Permeabilität) für Methanol. Diese Membranen sind damit bevorzugt geeignet für DMFCs. In addition, the membranes are insoluble in water and methanol and show, e.g. B. in Compared to nation, only a very low permeability (practically no permeability) for Methanol. These membranes are therefore preferably suitable for DMFCs.

Die erfindungsgemäßen Membrane ist vorzugsweise erhältlich durch ein Verfahren zur Herstellung einer protonenleitenden Membran, wobei ein flächiges, mit einer Vielzahl von Öffnungen versehenes, flexibles Substrat in und auf diesem Substrat mit einer Beschichtung versehen wird, wobei das Material des Substrates gewebte oder ungewebte, nicht elektrisch leitfähige Fasern von Glas oder Keramik oder eine Kombination solcher Materialien aufweist, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass auf das Substrat durch Aufbringen einer Suspension, die zumindest nanoskalige Zirkoniumphosphat-Partikel aufweist, auf das Substrat und durch zumindest einmaliges Erwärmen, bei welchem die Suspension auf und im Substrat verfestigt wird, eine Beschichtung aufgebracht wird. The membrane according to the invention is preferably obtainable by a process for Production of a proton-conducting membrane, being a flat, with a large number of Opened, flexible substrate in and on this substrate with a coating is provided, the material of the substrate woven or non-woven, not electrically has conductive fibers of glass or ceramic or a combination of such materials, which is characterized in that by applying a suspension to the substrate, which has at least nanoscale zirconium phosphate particles on the substrate and through heating at least once, during which the suspension solidifies on and in the substrate a coating is applied.

Die Suspension kann z. B. durch Aufdrucken, Aufpressen, Einpressen Aufrollen, Aufrakeln, Aufstreichen, Tauchen, Spritzen oder Aufgießen auf und in das Substrat gebracht werden. The suspension can e.g. B. by printing, pressing, pressing, rolling, doctoring, Spreading, dipping, spraying or pouring onto and into the substrate.

Das Material des Substrates ist vorzugsweise ausgewählt aus Glas, Aluminiumoxid, SiO2, SiC, Si3N4, BN, B4N, AlN, Sialone oder ZrO2, insbesondere aus hochtemperatur- und/oder säurefestem Glas, Quarzglas oder Keramik Das Material des Substrates kann als Gewebe, Vlies oder Filz aus nicht elektrisch leitenden Fasern der vorgenannten Materialien bestehen. Damit eine gleichmäßige Leitfähigkeit in der Membran erzielt werden kann, wird vorzugsweise ein Glasfaservlies aus ungewebten Fasern aus Glas als Material des Substrates eingesetzt. The material of the substrate is preferably selected from glass, aluminum oxide, SiO 2 , SiC, Si 3 N 4 , BN, B 4 N, AlN, Sialone or ZrO 2 , in particular from high-temperature and / or acid-proof glass, quartz glass or ceramic. The material the substrate can consist of non-electrically conductive fibers of the aforementioned materials as a fabric, fleece or felt. In order that uniform conductivity can be achieved in the membrane, a glass fiber fleece made of non-woven glass fibers is preferably used as the material of the substrate.

Vom Prinzip her sind alle als Fasern erhältlichen Glasmaterialien, wie z. B. E-, A-, ECR-, C-, D-, R-, S- und M-Glas für das Substrat einsetzbar. Vorzugsweise werden Fasern aus E- oder S- Glas eingesetzt. Die bevorzugten Glassorten weisen einen geringen Gehalt an BaO, Na2O oder K2O auf. Vorzugsweise weisen die bevorzugten Glassorten einen Gehalt an BaO von kleiner 5 Gew.-%, besonders bevorzugt kleiner 1 Gew.-%, einen Gehalt an Na2O von kleiner 5 Gew.-%, besonders bevorzugt kleiner 1 Gew.-% und einen Gehalt an K2O von kleiner 5 Gew.-%, besonders bevorzugt kleiner 1 Gew.-% auf. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Fasern aus Glassorten bestehen, die keine der Verbindungen BaO, Na2O oder K2O aufweisen, wie z. B. E-Glas, da solche Glassorten beständiger gegenüber Chemikalien sind. In principle, all glass materials available as fibers, such as. B. E, A, ECR, C, D, R, S and M glass can be used for the substrate. E or S glass fibers are preferably used. The preferred types of glass have a low content of BaO, Na 2 O or K 2 O. The preferred types of glass preferably have a BaO content of less than 5% by weight, particularly preferably less than 1% by weight, a Na 2 O content of less than 5% by weight, particularly preferably less than 1% by weight and a K 2 O content of less than 5% by weight, particularly preferably less than 1% by weight. It may be advantageous if the fibers consist of types of glass which have none of the compounds BaO, Na 2 O or K 2 O, such as, for. B. E-glass, since such glass types are more resistant to chemicals.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsart des Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen protonenleitenden Membranen werden die Fasern, besonders bevorzugt Glasfasern aus E- bzw. S-Glas, des Substrates mit einem dünnen Film aus SiO2 beschichtet. Eine solche Beschichtung kann z. B. dadurch aufgebracht werden, dass Tetraethylorthosilikat (TEOS) auf die Fasern, einzeln oder in Form von Gewebe, Filz oder Vlies aufgebracht wird, das TEOS getrocknet wird und anschließend bei einer Temperatur von 400 bis 600°C, vorzugsweise bei 420 bis 500°C und ganz besonders bevorzugt bei 440 bis 460°C das TEOS abgebrannt wird. Beim Abbrennen bleibt als Rückstand auf der Faseroberfläche Siliziumdioxid zurück. Es konnte festgestellt werden, dass auf diese Weise behandelte Fasern wesentlich besser als Substratmaterial geeignet sind als unbehandelte Fasern, da die anschließende Beschichtung auf den behandelten Fasern wesentlich besser haftet und damit die Langzeitstabilität deutlich verbessert wird. Neben Beschichtungen aus SiO2 sind auch Beschichtungen aus ZrO2, TiO2 oder Al2O3 oder mit Gemischen dieser Oxide möglich, wobei z. B. von Alkoholaten der entsprechenden Metalle ausgegangen werden kann. Die Herstellung der Beschichtung kann analog der Beschichtung mit TEOS erfolgen. In a particularly preferred embodiment of the method for producing the proton-conducting membranes according to the invention, the fibers, particularly preferably glass fibers made of E or S glass, of the substrate are coated with a thin film made of SiO 2 . Such a coating can e.g. B. be applied in that tetraethyl orthosilicate (TEOS) is applied to the fibers, individually or in the form of fabric, felt or fleece, the TEOS is dried and then at a temperature of 400 to 600 ° C, preferably at 420 to 500 ° C and very particularly preferably at 440 to 460 ° C the TEOS is burned off. When it burns, silicon dioxide remains as a residue on the fiber surface. It was found that fibers treated in this way are much better suited as substrate material than untreated fibers, since the subsequent coating adheres to the treated fibers much better and thus the long-term stability is significantly improved. In addition to coatings made of SiO 2 , coatings made of ZrO 2 , TiO 2 or Al 2 O 3 or with mixtures of these oxides are also possible. B. alcoholates of the corresponding metals can be assumed. The coating can be produced analogously to the coating with TEOS.

Wird als Substrat ein Glasfasertextil, wie z. B. ein Glasfasergewebe, -filz oder -vlies verwendet, werden vorzugsweise solche eingesetzt, die aus Fasern mit einer Stärke von maximal 20 tex (mg/m), vorzugsweise aus Fasern mit einer Stärke von maximal 10 tex und ganz besonders bevorzugt aus Fasern mit einer Stärke von maximal 5,5 tex hergestellt wurden. Ganz besonders bevorzugt wird als Substrat ein Glasfasergewebe verwendet, welches aus Fasern mit einer Stärke von 5,5 oder 11 tex hergestellt wurde. If a glass fiber textile, such as. B. a glass fiber fabric, felt or fleece used, preferably those are used which consist of fibers with a thickness of maximum 20 tex (mg / m), preferably from fibers with a maximum strength of 10 tex and were particularly preferably made of fibers with a maximum thickness of 5.5 tex. A glass fiber fabric which consists of is very particularly preferably used as the substrate Fibers with a thickness of 5.5 or 11 tex was produced.

Die einzelnen Filamente solcher Fasern weisen z. B. einen Durchmesser von 5 bis 7 µm auf. Das vorzugsweise als Substrat eingesetzte Glasfasergewebe weist von 5 bis 30 Schussfäden/cm und von 5 bis 30 Kettfäden/cm, vorzugsweise von 10 bis 30 Schussfäden/cm und von 10 bis 30 Kettfäden/cm und ganz besonders bevorzugt von 15 bis 25 Schussfäden/cm und von 15 bis 25 Kettfäden/cm auf. Durch die Verwendung solcher Glasgewebe kann sichergestellt werden, dass die erfindungsgemäße Membran eine genügend große Festigkeit bei gleichzeitig genügend großer Porosität des Substrates aufweist. The individual filaments of such fibers have z. B. a diameter of 5 to 7 microns. The glass fiber fabric, which is preferably used as a substrate, has from 5 to 30 weft threads / cm and from 5 to 30 warps / cm, preferably from 10 to 30 wefts / cm and from 10 to 30 Warp threads / cm and very particularly preferably from 15 to 25 weft threads / cm and from 15 to 25 Warp threads / cm. The use of such glass fabrics can ensure that the membrane according to the invention is sufficiently strong and at the same time sufficient has great porosity of the substrate.

Bei der Verwendung von käuflichen Glasfasertextilen, insbesondere Glasfaservliesen, Glasfaserfilzen oder Glasfasergeweben konnte außerdem festgestellt werden, dass das Entfernen der Schlichte, die beim Herstellprozess des Glasfasertextils auf die Fasern aufgebracht wurde, einen großen Einfluss auf die Belastbarkeit des Glasfasertextils hat. Üblicherweise wird die Schlichte durch Aufheizen des Glasfasertextils, insbesondere Glasfasergewebes, auf bis zu 500°C für 1 bis 2 min. und anschließendes thermisches Behandeln des Textils bei bis zu 300°C für ca. 4 Tage entfernt. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass ein so behandeltes Glasfasertextil wesentlich spröder als Glasfasertextil, welches die Schlichte noch aufweist, ist. Auf und in ein Glasfasertextil als Substrat, welches die Schlichte aufweist, lässt sich allerdings nur schlecht die erfindungsgemäße Beschichtung aufbringen, da diese durch die Schlichte an dem Textil schlechter haftet. Es wurde überraschenderweise gefunden, dass ein Abbrennen der Schlichte bei Temperaturen unter 500°C, vorzugsweise unter 450°C innerhalb von 2 min., vorzugsweise innerhalb von 1 min. und eine anschließende Behandlung mit TEOS wie oben beschrieben ausreichend ist, um eine besser haltbare Beschichtung des Glasfasertextils, insbesondere des Glasfasergewebes zu gewährleisten. When using commercially available glass fiber textiles, in particular glass fiber fleeces, Glass fiber felts or glass fiber fabrics could also be found that the Removal of the sizing on the fibers during the manufacturing process of the glass fiber textile applied, has a great influence on the resilience of the glass fiber textile. The size is usually obtained by heating the glass fiber textile, in particular Glass fiber fabric, up to 500 ° C for 1 to 2 min. and subsequent thermal Treat the textile at up to 300 ° C for about 4 days away. Surprisingly found that a glass fiber textile treated in this way is much more brittle than glass fiber textile, which the sizing still has. On and in a glass fiber textile as a substrate, which has the size, however, the coating according to the invention can be difficult apply, as this adheres poorly to the textile due to the size. It was Surprisingly found that the size burn off at temperatures below 500 ° C, preferably below 450 ° C within 2 min., Preferably within 1 min. and subsequent treatment with TEOS as described above is sufficient to achieve a better durable coating of the glass fiber textile, especially the glass fiber fabric guarantee.

Es kann vorteilhaft sein, wenn als Material des Substrates ein mit einer porösen Keramikbeschichtung versehenes Glasfasertextil eingesetzt wird. Solche mit Keramik beschichteten Glasfasertextile sind aus WO 99/15262 bekannt. Die keramische Beschichtung wird auf das Glasfasertextil vorzugsweise durch Aufbringen einer Suspension, die zumindest eine, eine Verbindung zumindest eines Metalls, eines Halbmetalls oder eines Mischmetalls mit zumindest einem Element der 3. bis 7. Hauptgruppe aufweisende, anorganische Komponente und ein Sol aufweist, auf das Glasfasertextil und durch zumindest einmaliges Erwärmen, bei welchem die zumindest eine anorganische Komponente aufweisende Suspension auf oder im oder aber auf und im Glasfasertextil verfestigt wird, aufgebracht. Das Verfahren zur Herstellung solcher mit Keramik beschichteter Glasfasertextile ist ebenfalls aus WO 99/15262 bekannt. Zu den verschiedenen Arten von mit Keramik beschichteter Glasfasertextilien sowie deren Herstellung wird ausdrücklich auf WO 99/15262 verwiesen. It can be advantageous if the material of the substrate is one with a porous one Ceramic-coated glass fiber textile is used. Those with ceramics coated glass fiber textiles are known from WO 99/15262. The ceramic coating is applied to the glass fiber textile preferably by applying a suspension that at least one, a compound of at least one metal, a semi-metal or a mixed metal At least one element of the 3rd to 7th main group, inorganic component and having a sol, on the glass fiber textile and by heating at least once which the suspension having at least one inorganic component on or in or else is applied to and solidified in the glass fiber textile. The procedure for Manufacture of such glass fiber textiles coated with ceramic is likewise from WO 99/15262 known. To the different types of ceramic coated glass fiber textiles as well their production is expressly referred to WO 99/15262.

Die zur Herstellung der Beschichtung verwendete Suspension weist zumindest nanoskalige Zirkoniumphosphat-Partikel mit einer Partikelgröße kleiner 1 µm auf. Die Suspension zur Herstellung der Beschichtung der erfindungsgemäßen Membran weist vorzugsweise nanoskalige Zirkoniumphosphat-Partikel mit einer Primärpartikelgröße von 1 bis 1000 nm, bevorzugt nanoskalige Zirkoniumphosphat-Partikel mit einer Primärpartikelgröße 1 bis 100 nm und ganz besonders bevorzugt nanoskalige Zirkoniumphosphat-Partikel mit einer Primärpartikelgröße 10 bis 100 nm auf. Neben den nanoskaligen Zirkoniumphosphat- Primärpartikeln kann die erfindungsgemäße Beschichtung auch Agglomerate von Zirkoniumphosphat-Partikel mit einer Größe von 1 µm oder mehr, vorzugsweise von 1 bis 100 µm, besonders bevorzugt von 1 bis 25 µm aufweisen. Die nanoskaligen Zirkoniumphosphat- Partikel, werden vorzugsweise in einem vorgeschalteten Schritt hergestellt. Prinzipiell stehen hierfür alle Verfahrenswege offen, die für die Herstellung nanoskaliger Pulver geeignet sind, wie z. B. Gasphasenverfahren (analog zur Aerosil-Herstellung, Drahtexplosionsverfahren, Mikrowellenplasmaverfahren, o. ä.) aber auch Flüssigphasenverfahren. The suspension used to produce the coating has at least a nanoscale Zirconium phosphate particles with a particle size smaller than 1 µm. The suspension for Production of the coating of the membrane according to the invention preferably has nanoscale zirconium phosphate particles with a primary particle size of 1 to 1000 nm, preferably nanoscale zirconium phosphate particles with a primary particle size of 1 to 100 nm and very particularly preferably nanoscale zirconium phosphate particles with a Primary particle size 10 to 100 nm. In addition to the nanoscale zirconium phosphate The coating according to the invention can also contain primary particles from agglomerates of Zirconium phosphate particles with a size of 1 μm or more, preferably from 1 to 100 μm, particularly preferably have from 1 to 25 μm. The nanoscale zirconium phosphate Particles are preferably produced in an upstream step. In principle stand for this all process paths are open which are suitable for the production of nanoscale powders, such as B. gas phase process (analogous to Aerosil production, wire explosion process, Microwave plasma processes, etc.) but also liquid phase processes.

Als besonders geeignet hat sich die Herstellung nach dem aus der Literatur bekannten "Micro- Jet-Verfahren" (Penth, WO 00/61275) herausgestellt. Bei diesem Verfahren werden die nanoskaligen Zirkoniumphosphat-Partikel zur Herstellung der Suspension durch Aufeinanderschießen einer Lösung eines löslichen Zirkoniumverbindung und einer Lösung, die phosphorhaltige Verbindungen aufweist, in einem Microjetreaktor erzeugt. Die eingesetzte lösliche Zirkoniumverbindung kann ausgewählt sein aus Zirkoniumnitrat, Zirkoniumchlorid, Zirkoniumacetat, Zirkoniumacetylacetonat oder einem Zirkoniumalkoholat. Die eingesetzte Lösung, die phosphorhaltige Verbindungen aufweist, weist vorzugsweise zumindest eine Verbindung, ausgewählt aus Phosphorsäure und/oder Phosphatsalzen, insbesondere Phosphatsalze der Alkalimetalle, wie z. B. Na3PO4, Na2HPO4 oder NaH2PO4, auf. Production according to the "microjet process" known from the literature (Penth, WO 00/61275) has proven to be particularly suitable. In this process, the nanoscale zirconium phosphate particles for producing the suspension are produced by shooting a solution of a soluble zirconium compound and a solution containing phosphorus-containing compounds at one another in a microjet reactor. The soluble zirconium compound used can be selected from zirconium nitrate, zirconium chloride, zirconium acetate, zirconium acetylacetonate or a zirconium alcoholate. The solution used, which has phosphorus-containing compounds, preferably has at least one compound selected from phosphoric acid and / or phosphate salts, in particular phosphate salts of the alkali metals, such as. B. Na 3 PO 4 , Na 2 HPO 4 or NaH 2 PO 4 .

Als Lösemittel kann im einfachsten Falle Wasser dienen. Werden hydrolyseempfindliche Edukte eingesetzt, wie etwa Zirkoniumalkoholate, so können auch Alkohole oder andere wasserfreie Lösemittel verwendet werden. In the simplest case, water can serve as the solvent. Become sensitive to hydrolysis Educts used, such as zirconium alcoholates, can also alcohols or others anhydrous solvents can be used.

Die Lösungen werden in dem Microjetreaktor dabei in einem speziellen Hochdruckverfahren zum Zirkoniumphosphat umgesetzt, bei welchem in einem Microjetreaktor die beiden Lösungen als dünner Strahl unter sehr hohem Druck von bis zu einigen hundert bar über Düsen von vorzugsweise 50 bis 500 µm Durchmesser aufeinander geschossen werden. Die Reaktionsprodukte können z. B. von einem Luftstrom aus dem Reaktor entfernt werden. The solutions are made in the microjet reactor using a special high-pressure process converted to zirconium phosphate, in which the two are in a microjet reactor Solutions as a thin jet under very high pressure of up to a few hundred bar via nozzles preferably 50 to 500 microns in diameter are shot at each other. The Reaction products can e.g. B. removed from the reactor by an air stream.

Bei diesem Verfahren kommt es zu keinem Partikelwachstum der Primärpartikel. Die Primärpartikel- und ggf. auch Agglomeratgröße lassen sich durch die Versuchsbedingungen, mit welchen der Microjetreaktor betrieben wird, gezielt einstellen. Mittels dieses Verfahrens wird direkt eine kolloidale Suspension erhalten, die das Zirkoniumphosphat enthält. Typische Zirkonphosphat-Konzentrationen in dieser Suspension liegen bei 0,01-50 Gew.-%, und bevorzugt 0,1-5 Gew.-%. Gegebenenfalls können die Suspensionen durch Verdampfen des eingesetzten Lösemittels auch weiter aufkonzentriert werden. With this method there is no particle growth of the primary particles. The Primary particle and possibly also agglomerate size can be determined by the test conditions, with which the microjet reactor is operated. Using this procedure a colloidal suspension containing the zirconium phosphate is obtained directly. typical Zirconium phosphate concentrations in this suspension are 0.01-50% by weight, and preferably 0.1-5% by weight. If necessary, the suspensions can be evaporated by used solvent can also be further concentrated.

Diese Suspension kann direkt eingesetzt werden und auf die oben genannten Substrate aufgebracht werden. Die genannten Zirkoniumphosphat-Partikel können aber auch selbst hergestellt werden, in dem die aus dem Microjetreaktor erhaltenen Zirkoniumphosphat- Suspension, durch Sprühtrocknung in ein Pulver, welches nanoskalige Zirkoniumphosphat- Partikel aufweist, überführt werden kann. Die Sprühtrocknung kann auf bekannte Weise durchgeführt werden und erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von 100 bis 200°C, bevorzugt bei einer Temperatur von 100 bis 150°C. This suspension can be used directly on the above substrates be applied. The zirconium phosphate particles mentioned can also themselves be produced in which the zirconium phosphate obtained from the microjet reactor Suspension, by spray drying into a powder which contains nanoscale zirconium phosphate Has particles that can be transferred. Spray drying can be carried out in a known manner be carried out and is preferably carried out at a temperature of 100 to 200 ° C, preferably at a temperature of 100 to 150 ° C.

In einer weiteren Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens können der Suspension aber auch weitere, teilweise kommerziell erhältliche Materialien, wie Metalloxide, Nitride Carbide oder Zirkoniumphosphat-Partikel pulverförmig beigefügt werden. Vorzugsweise wird zumindest ein Oxid der Elemente Al, Zr, Ti oder Si der Suspension beigefügt. Die Zugabe von Metalloxiden bzw. weiteren anorganischen Komponenten hat den Vorteil, dass die Protonenleitfähigkeit auf den gewünschten Wert eingestellt und eine optimale Infiltration des Substrates erzielt werden kann, damit am Ende eine für die Reaktionskomponenten in der Brennstoffzelle undurchlässige bzw. gasdichte protonenleitende Membran entsteht. In a further embodiment of the method according to the invention, the suspension but also other, partly commercially available materials, such as metal oxides, nitrides Carbide or zirconium phosphate particles can be added in powder form. Preferably at least one oxide of the elements Al, Zr, Ti or Si added to the suspension. The addition of Metal oxides or other inorganic components has the advantage that the Proton conductivity set to the desired value and optimal infiltration of the Substrate can be achieved so that one for the reaction components in the end Fuel cell impermeable or gas-tight proton-conducting membrane is formed.

Es kann vorteilhaft sein, wenn zumindest eine anorganische Komponente, welche eine Korngröße von kleiner 5 µm, vorzugsweise von 10 bis 1000 nm, und ganz besonders bevorzugt von 100 bis 1000 nm aufweist, der Suspension zugefügt wird. Der Suspension können aber auch noch andere protonenleitfähige Materialien zugefügt werden wie etwa Iso- und Heteropolysäuren, oder andere nanoskalige Pulver aus der Reihe Al2O3, ZrO2 TiO2 und SiO2. Auch kann die Suspension Brönstedsäuren oder immobilisierbare Silylsäuren enthalten. It can be advantageous if at least one inorganic component, which has a grain size of less than 5 μm, preferably from 10 to 1000 nm, and very particularly preferably from 100 to 1000 nm, is added to the suspension. However, other proton-conductive materials, such as iso- and heteropolyacids, or other nanoscale powders from the series Al 2 O 3 , ZrO 2 TiO 2 and SiO 2 can also be added to the suspension. The suspension can also contain Bronsted acids or immobilizable silylic acids.

In einer weiteren Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die eingesetzte Suspension, die nanoskalige Zirkoniumphosphat-Partikel aufweist, zumindest ein Sol, zumindest ein Halbmetalloxidsol oder zumindest ein Mischmetalloxidsol oder eine Mischung dieser Sole aufweisen. In a further embodiment of the method according to the invention, the method used Suspension which has nanoscale zirconium phosphate particles, at least one sol, at least one semi-metal oxide sol or at least one mixed metal oxide sol or a mixture these have brine.

Die Sole werden durch Hydrolisieren zumindest einer Verbindung, vorzugsweise zumindest einer Metallverbindung, zumindest einer Halbmetallverbindung oder zumindest einer Mischmetallverbindung mit zumindest einer Flüssigkeit, einem Feststoff oder einem Gas erhalten, wobei es vorteilhaft sein kann, wenn als Flüssigkeit z. B. Wasser, Alkohol oder eine Säure, als Feststoff Eis oder als Gas Wasserdampf oder zumindest eine Kombination dieser Flüssigkeiten, Feststoffe oder Gase eingesetzt wird. Ebenso kann es vorteilhaft sein, die zu hydrolysierende Verbindung vor der Hydrolyse in Alkohol oder eine Säure oder eine Kombination dieser Flüssigkeiten zu geben. Als zu hydrolysierende Verbindung wird vorzugsweise zumindest ein Metallnitrat, ein Metallchlorid, ein Metallcarbonat, eine Metallalkoholatverbindung oder zumindest eine Halbmetallalkoholatverbindung, besonders bevorzugt zumindest eine Metallalkoholatverbindung, ein Metallnitrat, ein Metallchlorid, ein Metallcarbonat oder zumindest eine Halbmetallalkoholatverbindung ausgewählt aus den Verbindungen der Elemente Zr, Al, Si, oder Ti, wie z. B. Zirkoniumalkoholate, wie z. B. Zirkoniumisopropylat, Siliziumalkoholate, oder ein Metallnitrat, wie z. B. Zirkoniumnitrat, hydrolisiert. The brines are hydrolyzed by at least one compound, preferably at least a metal compound, at least one semi-metal compound or at least one Mixed metal compound with at least one liquid, solid or gas receive, it may be advantageous if as a liquid such. B. water, alcohol or a Acid, ice as a solid or water vapor as a gas or at least a combination of these Liquids, solids or gases are used. It can also be advantageous to hydrolyzing compound before hydrolysis in alcohol or an acid or an Combination of these liquids. As a compound to be hydrolyzed preferably at least one metal nitrate, one metal chloride, one metal carbonate, one Metal alcoholate compound or at least one semi-metal alcoholate compound, especially preferably at least one metal alcoholate compound, a metal nitrate, a metal chloride Metal carbonate or at least one semi-metal alcoholate compound selected from the Compounds of the elements Zr, Al, Si, or Ti, such as. B. zirconium alcoholates such. B. Zirconium isopropylate, silicon alcoholates, or a metal nitrate, such as. B. zirconium nitrate, hydrolysed.

Es kann vorteilhaft sein, die Hydrolyse der zu hydrolisierenden Verbindungen mit zumindest dem halben Molverhältnis Wasser, Wasserdampf oder Eis, bezogen auf die hydrolisierbare Gruppe, der hydrolisierbaren Verbindung, durchzuführen. It may be advantageous to use at least the hydrolysis of the compounds to be hydrolyzed half the molar ratio of water, steam or ice, based on the hydrolyzable Group, the hydrolyzable compound.

Die hydrolisierte Verbindung kann zum Peptisieren mit zumindest einer organischen oder anorganischen Säure, vorzugsweise mit einer 10 bis 60%-igen organischen oder anorganischen Säure, besonders bevorzugt mit einer Mineralsäure, ausgewählt aus Schwefelsäure, Salzsäure, Perchlorsäure, Phosphorsäure und Salpetersäure oder einer Mischung dieser Säuren behandelt werden. The hydrolyzed compound can be peptized with at least one organic or inorganic acid, preferably with a 10 to 60% organic or inorganic Acid, particularly preferably with a mineral acid selected from sulfuric acid, hydrochloric acid, Perchloric acid, phosphoric acid and nitric acid or a mixture of these acids treated become.

Es können nicht nur Sole verwendet werden, die wie oben beschrieben hergestellt wurden, sondern auch handelsübliche Sole, wie z. B. Zirkoniumnitratsol oder Silicasol. It is not only possible to use brine which has been produced as described above, but also commercial brine, such as. B. zirconium nitrate sol or silica sol.

Die erfindungsgemäße Beschichtung wird durch Verfestigen der Suspension in und auf dem Substrat aufgebracht. Die Suspension wird dazu erfindungsgemäß durch Aufrakeln, Aufwalzen, Aufsprühen oder ähnliche Verfahren auf das Trägermaterial aufgebracht. Bevorzugt geschieht dies in einem kontinuierlichen Verfahren. Erfindungsgemäß kann die auf und im Substrat vorhandene Suspension durch Erwärmen auf 50 bis 500°C verfestigt werden. In einer besonderen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die auf und im Support vorhandene Suspension durch Erwärmen auf 100 bis 450°C, vorzugsweise durch Erwärmen auf 150 bis 400°C und ganz besonders bevorzugt durch Erwärmen auf 150 bis 300°C verfestigt. Es kann vorteilhaft sein, wenn das Erwärmen für 1 Sekunde bis 15 Minuten, vorzugsweise für 10 Sekunden bis 5 Minuten erfolgt. Das Aufbringen/Infiltration kann einmal oder mehrmals durchgeführt werden, wobei zwischen den Aufbringschritten vorzugsweise eine thermische Behandlung, bevorzugt bei einer Temperatur von 50 bis 500 und bevorzugt 150 bis 300°C für 1 Minute bis 1 Stunde erfolgt. Bei Verwendung von reinen Geweben oder Vliesen ist eine mehrmalige Beschichtung bevorzugt. The coating according to the invention is made by solidifying the suspension in and on the Substrate applied. According to the invention, the suspension is Rolling, spraying or similar processes applied to the carrier material. This is preferably done in a continuous process. According to the invention and the suspension present in the substrate can be solidified by heating to 50 to 500 ° C. In a special embodiment of the method according to the invention, the on and Suspension present in the support by heating to 100 to 450 ° C, preferably by Heating to 150 to 400 ° C and most preferably by heating to 150 to 300 ° C solidified. It may be beneficial if heating for 1 second to 15 minutes, preferably for 10 seconds to 5 minutes. The application / infiltration can be done once or several times, preferably one between the application steps thermal treatment, preferably at a temperature of 50 to 500 and preferably 150 to 300 ° C for 1 minute to 1 hour. When using pure fabrics or fleeces repeated coating is preferred.

Die erfindungsgemäßen Membranen stellen eine neue Klasse von protonenleitenden Membranen dar. Diese Membranen können als protonenaustauschende Membran in Brennstoffzellen oder in Membranelektrodeneinheiten (MEA) eingesetzt werden. Auf diese Weise sind Brennstoffzellen erhältlich, die eine erfindungsgemäße Membran als protonenaustauschende Membran aufweisen. The membranes according to the invention represent a new class of proton-conducting Membranes. These membranes can be used as a proton exchange membrane Fuel cells or in membrane electrode assemblies (MEA) can be used. To this Fuel cells are available which are a membrane according to the invention have a proton-exchanging membrane.

Im Folgenden wird eine erfindungsgemäße Membranelektrodeneinheit beschrieben. Die flexible Membranelektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle umfasst eine Anodenschicht und eine Kathodenschicht, die jeweils auf gegenüberliegenden Seiten einer erfindungsgemäßen protonenleitenden Membrane (Elektrolytmembran), umfassend ein flächiges, mit einer Vielzahl von Öffnungen versehenes, flexibles Substrat mit einer auf und in diesem Substrat befindlichen Beschichtung, wobei das Material des Substrates ausgewählt ist aus gewebten oder ungewebten, nicht elektrisch leitfähigen Fasern von Glas oder Keramik oder einer Kombination solcher Materialien und eine Beschichtung die protonenleitende nanoskalige Partikel von Zirkoniumphosphat mit einer Primärpartikelgröße kleiner 5 µm aufweist und gasdicht bzw. undurchlässig für die Reaktionskomponenten in einer Brennstoffzelle, wie z. B. Wasserstoff, Sauerstoff, Luft und/oder Methanol ist, vorgesehen sind und wobei die Anodenschicht und die Kathodenschicht porös sind und jeweils einen Katalysator für die Anoden- und Kathodenreaktion, eine protonenleitfähige Komponente und gegebenenfalls einen Katalysatorträger umfassen. A membrane electrode unit according to the invention is described below. The Flexible membrane electrode assembly for a fuel cell comprises an anode layer and a cathode layer, each on opposite sides of an inventive proton-conducting membrane (electrolyte membrane), comprising a flat, with a variety apertured, flexible substrate with one on and in that substrate Coating, wherein the material of the substrate is selected from woven or non-woven, non-electrically conductive fibers of glass or ceramic or a combination such materials and a coating the proton-conducting nanoscale particles of Zirconium phosphate with a primary particle size smaller than 5 µm and gas-tight or impermeable to the reaction components in a fuel cell, such as. B. hydrogen, Oxygen, air and / or methanol is provided, and the anode layer and the Are porous cathode layer and each have a catalyst for the anode and Cathode reaction, a proton conductive component and optionally a catalyst support include.

Die protonenleitfähige Komponente der Anoden- und/oder Kathodenschicht umfasst jeweils vorzugsweise

  • a) eine immobilisierte Hydroxysilylalkylsäure von Schwefel oder Phosphor oder ein Salz davon sowie gegebenenfalls ein Oxid von Aluminium, Silizium, Titan, Zirkonium und/oder Phosphor, und/oder
  • b) eine Brönstedsäure und ein Oxid von Aluminium, Silizium, Titan, Zirkonium, und/oder Phosphor.
The proton-conductive component of the anode and / or cathode layer preferably each comprises
  • a) an immobilized hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or a salt thereof and optionally an oxide of aluminum, silicon, titanium, zirconium and / or phosphorus, and / or
  • b) a Bronsted acid and an oxide of aluminum, silicon, titanium, zirconium, and / or phosphorus.

Die Brönstedsäure kann z. B. Schwefelsäure, Phosphorsäure, Perchlorsäure, Salpetersäure, Chlorwasserstoffsäure, schweflige Säure, phosphorige Säure sowie Ester davon und/oder eine monomere oder polymere organische Säure sein. The Bronsted acid can e.g. B. sulfuric acid, phosphoric acid, perchloric acid, nitric acid, Hydrochloric acid, sulfurous acid, phosphorous acid and esters thereof and / or one be monomeric or polymeric organic acid.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Hydroxysilylalkylsäure des Schwefels oder Phosphors oder ein Salz davon eine siliziumorganische Verbindung der allgemeinen Formeln

[{(RO)y(R2)z}aSi{R1-SO3 -}a]xMx+ (I)

oder

[(RO)y(R2)zSi{R1-Ob-P(OcR3)O2 -}a]xMx+ (II)

wobei R1 für eine lineare oder verzweigte Alkyl- oder Alkylengruppe mit 1 bis 12 C-Atomen, eine Cycloalkylgruppe mit 5 bis 8 C-Atomen oder eine Einheit der allgemeinen Formel n


steht,
wobei
n, m jeweils für eine ganze Zahl von 0 bis 6 steht,
M für H, NH4 oder ein Metall steht,
x = 1 bis 4,
y = 1 bis 3, z = 0 bis 2 und a = 1 bis 3 bedeuten, mit der Maßgabe, dass
y + z = 4 - a ist,
b, c = 0 oder 1,
R, R2 gleich oder verschieden sind und für Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butylreste oder H stehen und
R3 für M oder einen Methyl-, Ethyl-, Propyl- oder Butylrest steht.
In a preferred embodiment, the hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or a salt thereof is an organosilicon compound of the general formulas

[{(RO) y (R 2 ) z } a Si {R 1 -SO 3 - } a ] x M x + (I)

or

[(RO) y (R 2 ) z Si {R 1 -O b -P (O c R 3 ) O 2 - } a ] x M x + (II)

where R 1 is a linear or branched alkyl or alkylene group having 1 to 12 carbon atoms, a cycloalkyl group having 5 to 8 carbon atoms or a unit of the general formula n


stands,
in which
n, m each represents an integer from 0 to 6,
M represents H, NH 4 or a metal,
x = 1 to 4,
y = 1 to 3, z = 0 to 2 and a = 1 to 3, with the proviso that
y + z = 4 - a,
b, c = 0 or 1,
R, R 2 are the same or different and stand for methyl, ethyl, propyl, butyl or H and
R 3 represents M or a methyl, ethyl, propyl or butyl radical.

Die Hydroxysilylalkylsäure des Schwefels oder Phosphors ist vorzugsweise Trihydroxysilylpropylsulfonsäure, Trihydroxysilylpropylmethylphosphonsäure oder Dihydroxysilylpropylsulfondisäure. Vorzugsweise ist die Hydroxysilylalkylsäure des Schwefels oder Phosphors oder ein Salz davon mit einer hydrolysierten Verbindung des Phosphors oder einem hydrolysierten Nitrat, Oxynitrat, Chlorid, Oxychlorid, Carbonat, Alkoholat, Acetat, Acetylacetonat eines Metalls oder Halbmetalls immobilisiert. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Hydroxysilylalkylsäure des Schwefels oder des Phosphors oder ein Salz davon mit einer hydrolysierten Verbindung, erhalten aus Titanpropylat, Titanethylat, Tetraethylorthosilikat (TEOS) oder Tetramethylorthosilikat (TMOS), Zirkoniumnitrat, Zirkoniumoxynitrat, Zirkoniumpropylat, Zirkoniumacetat, Zirkoniumacetylacetonat, Phosphorsäuremethylester, Diethylphosphit (DEP) oder Diethylethylphosphonat (DEEP) immobilisiert. The hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus is preferred Trihydroxysilylpropylsulfonic acid, trihydroxysilylpropylmethylphosphonic acid or Dihydroxysilylpropylsulfondisäure. Preferably the hydroxysilylalkyl acid is sulfur or Phosphorus or a salt thereof with a hydrolyzed compound of the phosphorus or a hydrolyzed nitrate, oxynitrate, chloride, oxychloride, carbonate, alcoholate, acetate, Acetylacetonate of a metal or semi-metal immobilized. In another preferred The embodiment is the hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or Salt thereof with a hydrolyzed compound obtained from titanium propylate, titanium ethylate, Tetraethyl orthosilicate (TEOS) or tetramethyl orthosilicate (TMOS), zirconium nitrate, Zirconium oxynitrate, zirconium propylate, zirconium acetate, zirconium acetylacetonate, Phosphoric acid methyl ester, diethyl phosphite (DEP) or diethyl ethyl phosphonate (DEEP) immobilized.

Die protonenleitfähige Komponente der Anoden- und/oder Kathodenschicht kann außerdem protonenleitende Stoffe aufweisen, ausgewählt aus den Titanphosphaten, Titanphosphonaten, Zirkoniumphosphaten, Zirkoniumphosphonaten, Iso- und Heteropolysäuren, vorzugsweise Wolframphosphorsäure oder Siliziumwolframsäure, oder nanokristallinen Metalloxiden, wobei Al2O3-, ZrO2-, TiO2- oder SiO2-Pulver bevorzugt sind. The proton-conductive component of the anode and / or cathode layer may also include proton-conducting materials selected from titanium phosphates, Titanphosphonaten, zirconium phosphates, Zirkoniumphosphonaten, iso- and heteropoly acids, preferably tungstophosphoric acid or silicotungstic acid, or nano-crystalline metal oxides and Al 2 O 3 - ZrO 2 -, TiO 2 or SiO 2 powder are preferred.

Die erfindungsgemäße Membranelektrodeneinheit kann vorzugsweise in einer Brennstoffzelle bei einer Temperatur von mindestens 80°C, vorzugsweise bei mindestens 100°C, und ganz besonders bevorzugt bei mindestens 120°C betrieben werden. Als Brennstoff kann reiner Wasserstoff oder über einen mittels Reformer hergestellter Wasserstoff verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird aber Methanol verwendet. Hierzu wird auf der Anodenseite ein flüssiges oder gasförmiges Gemisch aus Wasser und Methanol, mit bevorzugt 0,5-5% Methanol, eingesetzt. Die erfindungsgemäße Membranelektrodeneinheit ist weiterhin vorzugsweise flexibel und toleriert vorzugsweise einen Biegeradius von bis herab zu 5000 mm, bevorzugt 100 mm, insbesondere von bis herab zu 50 mm und besonders bevorzugt bis herab zu 20 mm. Ganz besonders bevorzugt toleriert die erfindungsgemäße Membranelektrodeneinheit einen Biegeradius von bis herab zu 5 mm. The membrane electrode assembly according to the invention can preferably be used in a fuel cell at a temperature of at least 80 ° C, preferably at least 100 ° C, and completely are particularly preferably operated at at least 120 ° C. The fuel can be pure Hydrogen or can be used via a hydrogen produced by means of a reformer. In In a preferred embodiment, however, methanol is used. For this purpose, the On the anode side, a liquid or gaseous mixture of water and methanol is preferred 0.5-5% methanol used. The membrane electrode assembly according to the invention is still preferably flexible and preferably tolerates a bending radius of down to 5000 mm, preferably 100 mm, in particular from down to 50 mm and particularly preferably down to to 20 mm. The inventive method very particularly preferably tolerates Membrane electrode unit has a bending radius of down to 5 mm.

Der Katalysator kann auf der Anoden- und Kathodenseite gleich sein, in der bevorzugten Ausführungsform ist er aber unterschiedlich. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Katalysatorträger in der Anodenschicht und in der Kathodenschicht elektrisch leitfähig. The catalyst may be the same on the anode and cathode sides, in the preferred one The embodiment is different. In a preferred embodiment, the Catalyst carrier in the anode layer and in the cathode layer electrically conductive.

Zur Herstellung der Membranelektrodeneinheit wird eine Elektrolytmembran durch ein geeignetes Verfahren mit dem katalytisch aktiven Elektrodenmaterial beschichtet. To manufacture the membrane electrode assembly, an electrolyte membrane is inserted through a suitable process coated with the catalytically active electrode material.

Die Elektrolytmembran kann auf verschiedenen Wegen mit der Elektrode versehen werden. Die Art und Weise sowie die Reihenfolge, wie das elektrisch leitfähige Material, Katalysator, Elektrolyt und ggf. weitere Additive auf die Membran aufgebracht werden steht im Belieben des Fachmanns. Es ist lediglich darauf zu achten, dass die Grenzfläche Gasraum/Katalysator(Elektrode)/Elektrolyt gebildet wird. In einem speziellen Fall wird auf das elektrisch leitfähige Material als Katalysatorträger verzichtet, in diesem Fall sorgt der elektrisch leitfähige Katalysator direkt für die Ableitung der Elektronen aus der Membranelektrodeneinheit. The electrolyte membrane can be provided with the electrode in various ways. The way and the order of how the electrically conductive material, catalyst, Electrolyte and any other additives that may be applied to the membrane are at will of the specialist. You just have to make sure that the interface Gas space / catalyst (electrode) / electrolyte is formed. In a special case, the electrically conductive material is omitted as a catalyst carrier, in this case the electrically conductive catalyst directly for the derivation of the electrons from the Membrane electrode assembly.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Membranelektrodeneinheit umfasst die folgenden Schritte:

  • A) Bereitstellung einer für die Reaktionskomponenten der Brennstoffzellenreaktion undurchlässigen, protonenleitfähigen, erfindungsgemäßen Elektrolytmembran für eine Brennstoffzelle,
  • B) Bereitstellung jeweils eines Mittels zur Herstellung einer Anodenschicht und einer Kathodenschicht, wobei das Mittel jeweils umfasst:
    • 1. eine kondensierbare Komponente, die nach der Kondensation der Elektrodenschicht Protonenleitfähigkeit verleiht,
    • 2. einen Katalysator, der die Anodenreaktion bzw. die Kathodenreaktion katalysiert, oder eine Vorstufenverbindung des Katalysators,
    • 3. gegebenenfalls einen Katalysatorträger und
    • 4. gegebenenfalls einen Porenbildner,
  • C) Aufbringen der Mittel aus Stufe (B) auf jeweils eine Seite der Elektrolytmembran aus Stufe (A) zur Bildung einer Beschichtung,
  • D) Schaffung eines festen Verbundes zwischen den Beschichtungen und der Elektrolytmembran unter Ausbildung einer porösen, protonenleitfähigen Anodenschicht oder Kathodenschicht, wobei die Ausbildung der Anodenschicht und der Kathodenschicht gleichzeitig oder nacheinander erfolgen kann.
The method according to the invention for producing a membrane electrode unit according to the invention comprises the following steps:
  • A) provision of a proton-conductive electrolyte membrane according to the invention for a fuel cell, which is impermeable to the reaction components of the fuel cell reaction,
  • B) Provision in each case of an agent for producing an anode layer and a cathode layer, the agent in each case comprising:
    • 1. a condensable component which gives proton conductivity after the condensation of the electrode layer,
    • 2. a catalyst which catalyzes the anode reaction or the cathode reaction, or a precursor compound of the catalyst,
    • 3. optionally a catalyst support and
    • 4. if necessary, a pore former,
  • C) applying the agents from stage (B) to one side of the electrolyte membrane from stage (A) to form a coating,
  • D) Creation of a firm bond between the coatings and the electrolyte membrane with the formation of a porous, proton-conductive anode layer or cathode layer, it being possible for the anode layer and the cathode layer to be formed simultaneously or in succession.

Das Aufbringen des Mittels in Schritt (C) kann z. B. durch Aufdrucken, Aufpressen, Einpressen, Aufrollen, Aufrakeln, Aufstreichen, Tauchen, Spritzen oder Aufgießen erfolgen. The application of the agent in step (C) can, for. B. by printing, pressing, Pressing in, rolling up, knife application, spreading on, dipping, spraying or pouring on.

Das Mittel gemäß Schritt (B) zur Herstellung einer Anodenschicht oder einer Kathodenschicht ist vorzugsweise eine Suspension, die erhältlich ist durch

  • 1. Herstellung eines Sols, umfassend
    eine Hydroxysilylalkylsäure des Schwefels oder Phosphors bzw. deren Salz und gegebenenfalls eine die Hydroxysilylalkylsäure des Schwefels oder Phosphors bzw. deren Salz immobilisierende hydrolysierbare Verbindung des Phosphors
    oder ein hydrolysierbares Nitrat, Oxynitrat, Chlorid, Oxychlorid, Carbonat, Alkoholat, Acetat, Acetylacetonat eines Metalls oder Halbmetalls, vorzugsweise Phosphorsäuremethylester, Diethylphosphit (DEP), Diethylethylphosphonat (DEEP), Titanpropylat, Titanethylat, Tetraethylorthosilikat (TEOS) oder Tetramethylorthosilikat (TMOS), Zirkoniumnitrat, Zirkoniumoxynitrat, Zirkoniumpropylat, Zirkoniumacetat oder Zirkoniumacetylacetonat,
  • 2. Dispergieren des Katalysators und gegebenenfalls des Katalysatorträgers und Porenbildners in dem Sol aus (S1).
The agent according to step (B) for producing an anode layer or a cathode layer is preferably a suspension which is obtainable from
  • 1. Preparation of a sol, comprising
    a hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or its salt and optionally a hydrolyzable compound of phosphorus immobilizing the hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or its salt
    or a hydrolyzable nitrate, oxynitrate, chloride, oxychloride, carbonate, alcoholate, acetate, acetylacetonate of a metal or semimetal, preferably methylphosphate, diethylphosphite (DEP), diethylethylphosphonate (DEEP), titanium propylate, titaniumethylate, tetraethylorthosilicate (TEOS) or tetraethyl orthosilicate (TEOS) or Zirconium nitrate, zirconium oxynitrate, zirconium propylate, zirconium acetate or zirconium acetylacetonate,
  • 2. Dispersing the catalyst and optionally the catalyst support and pore former in the sol from (S1).

Das Mittel gemäß Schritt (B) zur Herstellung einer Anodenschicht oder einer Kathodenschicht ist ganz besonders bevorzugt eine Suspension, die erhältlich ist durch

  • 1. Hydrolyse einer hydrolysierbaren Verbindung zu einem Hydrolysat, wobei die hydrolysierbare Verbindung ausgewählt ist aus
    einer hydrolysierbaren Verbindung des Phosphors oder
    hydrolysierbaren Nitraten, Oxynitraten, Chloriden, Oxychloriden, Carbonaten, Alkoholaten, Acetaten, Acetylacetonaten eines Metalls oder Halbmetalls, vorzugsweise Aluminium-alkoholaten, Vanadium-alkoholaten, Titanpropylat, Titanethylat, Zirkoniumnitrat, Zirkonium-oxynitrat, Zirkoniumpropylat, Zirkoniumacetat oder Zirkoniumacetylacetonat, oder
    Metallsäuren des Aluminiums, Siliziums, Titans, Vanadiums, Antimons, Zinns, Bleis, Chroms, Wolframs, Molybdäns, Mangans, wobei Wolframphosphorsäure und Siliziumwolframsäure bevorzugt ist,
  • 2. Peptisierung des Hydrolysats mit einer Säure zu einer Dispersion,
  • 3. Vermischen der Dispersion mit einem nanokristallinen protonenleitenden Metalloxid, vorzugsweise Al2O3-, ZrO2-, TiO2- oder SiO2-Pulver,
  • 4. Dispergieren des Katalysators und gegebenenfalls des Trägers und Porenbildners.
The agent according to step (B) for producing an anode layer or a cathode layer is very particularly preferably a suspension which is obtainable by
  • 1. hydrolysis of a hydrolyzable compound to a hydrolyzate, the hydrolyzable compound being selected from
    a hydrolyzable compound of phosphorus or
    hydrolyzable nitrates, oxynitrates, chlorides, oxychlorides, carbonates, alcoholates, acetates, acetylacetonates of a metal or semimetal, preferably aluminum alcoholates, vanadium alcoholates, titanium propylate, titanium ethylate, zirconium nitrate, zirconium oxynitrate, zirconium propylate or zirconium acetate or zirconium acetate
    Metal acids of aluminum, silicon, titanium, vanadium, antimony, tin, lead, chromium, tungsten, molybdenum, manganese, with tungsten phosphoric acid and silicon tungsten acid being preferred,
  • 2. peptizing the hydrolyzate with an acid to form a dispersion,
  • 3. Mixing the dispersion with a nanocrystalline proton-conducting metal oxide, preferably Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 or SiO 2 powder,
  • 4. Dispersing the catalyst and optionally the carrier and pore former.

Es kann vorteilhaft sein, wenn die Mittel zur Herstellung einer Anodenschicht und einer Kathodenschicht in Schritt (C) aufgedruckt werden und zur Schaffung eines festen Verbundes zwischen den Beschichtungen und der Elektrolytmembran unter Ausbildung einer porösen, protonenleitfähigen Anodenschicht oder Kathodenschicht in Schritt (D) auf eine Temperatur von 100 bis 800°C, vorzugsweise 150 bis 500°C, ganz besonders bevorzugt 180 bis 250°C erwärmt wird. It can be advantageous if the means for producing an anode layer and a Cathode layer can be printed in step (C) and to create a firm bond between the coatings and the electrolyte membrane to form a porous, proton conductive anode layer or cathode layer in step (D) to a temperature from 100 to 800 ° C, preferably 150 to 500 ° C, very particularly preferably 180 to 250 ° C is heated.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch die Schritte:

  • 1. Aufbringen des Mittels zur Herstellung einer Anodenschicht oder Kathodenschicht auf eine Stützmembran, vorzugsweise aus Polytetrafluorethylen,
  • 2. Antrocknen der unter (M1) erhaltenen Beschichtung,
  • 3. Aufpressen der angetrockneten Beschichtung auf die Elektrolytmembran bei einer Temperatur von 20 bis 500°C, vorzugsweise 50 bis 300°C, ganz besonders bevorzugt 100 bis 200°C,
  • 4. Entfernen der Stützmembran insbesondere durch mechanisches Ablösen, chemisches Auflösen, oder Pyrolisieren oder
  • 5. Aufbringen des Mittels zur Herstellung einer Anodenschicht oder Kathodenschicht auf eine Stützmembran, vorzugsweise aus Kohlepapier oder einem elektrisch leitfähigen Vlies oder Gewebe,
  • 6. Antrocknen der unter (N1) erhaltenen Beschichtung zur Herstellung einer beschichteten Stützmembran,
  • 7. Aufpressen der beschichteten Stützmembran auf die Elektrolytmembran bei einer Temperatur von Raumtemperatur bis 500°C, vorzugsweise 50 bis 300°C, ganz besonders bevorzugt 100 bis 200°C umfassen.
The method according to the invention can also include the steps:
  • 1. Applying the agent for producing an anode layer or cathode layer to a support membrane, preferably made of polytetrafluoroethylene,
  • 2. drying of the coating obtained under (M1),
  • 3. pressing the dried coating onto the electrolyte membrane at a temperature of 20 to 500 ° C., preferably 50 to 300 ° C., very particularly preferably 100 to 200 ° C.,
  • 4. Removing the support membrane, in particular by mechanical detachment, chemical dissolving, or pyrolizing or
  • 5. applying the agent for producing an anode layer or cathode layer to a support membrane, preferably made of carbon paper or an electrically conductive fleece or fabric,
  • 6. drying of the coating obtained under (N1) to produce a coated support membrane,
  • 7. Press the coated support membrane onto the electrolyte membrane at a temperature from room temperature to 500 ° C., preferably 50 to 300 ° C., very particularly preferably 100 to 200 ° C.

Es kann vorteilhaft sein, wenn in Schritt (B) bei der Bereitstellung jeweils eines Mittels zur Herstellung einer Anodenschicht und einer Kathodenschicht das Mittel

  • a) ein Katalysatormetallsalz, vorzugsweise Hexachloroplatinsäure umfasst
  • b) nach dem Aufbringen der Mittel durch Schritt (C) das Katalysatormetallsalz zu einem Katalysator, der die Anodenreaktion oder die Kathodenreaktion katalysiert, reduziert wird,
  • c) in Schritt (D) eine offenporige Gasdiffusionselektrode, vorzugsweise ein offenporiges Kohlepapier, auf den Katalysator aufgepresst oder mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff auf den Katalysator geklebt wird.
It can be advantageous if in step (B) the agent is provided in each case when providing an agent for producing an anode layer and a cathode layer
  • a) comprises a catalyst metal salt, preferably hexachloroplatinic acid
  • b) after the application of the agents by step (C), the catalyst metal salt is reduced to a catalyst which catalyzes the anode reaction or the cathode reaction,
  • c) in step (D), an open-pore gas diffusion electrode, preferably an open-pore carbon paper, is pressed onto the catalyst or glued to the catalyst with an electrically conductive adhesive.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann so durchgeführt werden, dass das Aufbringen des Mittels zur Herstellung einer Anodenschicht oder Kathodenschicht wiederholt durchgeführt wird und gegebenenfalls ein Trocknungsschritt, vorzugsweise bei einer erhöhten Temperatur in einem Bereich von 20 bis 500°C, vorzugsweise von 50 bis 300°C und ganz besonders bevorzugt bei einer erhöhten Temperatur von 100 bis 200°C zwischen der wiederholten Durchführung des Aufbringens erfolgt. The inventive method can be carried out so that the application of the Repeatedly carried out by means of producing an anode layer or cathode layer and optionally a drying step, preferably at an elevated temperature in a range from 20 to 500 ° C, preferably from 50 to 300 ° C and very particularly preferably at an elevated temperature of 100 to 200 ° C between the repeated The application is carried out.

Es kann vorteilhaft sein, wenn das Aufbringen des Mittels zur Herstellung einer Anodenschicht oder Kathodenschicht auf eine von einer ersten Rolle abgerollten flexiblen Elektrolytmembran oder flexiblen Stützmembran erfolgt. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn das Aufbringen des Mittels zur Herstellung einer Anodenschicht oder Kathodenschicht kontinuierlich erfolgt. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn das Aufbringen des Mittels zur Herstellung einer Anodenschicht oder Kathodenschicht auf eine erwärmte Elektrolyt- oder Stützmembran erfolgt. It can be advantageous if the agent is used to produce an anode layer or cathode layer on a flexible electrolyte membrane unrolled from a first roll or flexible support membrane. In particular, it can be advantageous if the Application of the agent for producing an anode layer or cathode layer done continuously. It can be particularly advantageous if the application of the agent for Production of an anode layer or cathode layer on a heated electrolyte or Support membrane is made.

Zur Schaffung eines festen Verbundes zwischen den Beschichtungen und der Elektrolytmembran wird der Verbund vorzugsweise, auf eine Temperatur von 20 bis 500°C, vorzugsweise 50 bis 300°C, ganz besonders bevorzugt 100 bis 200°C erwärmt. Das Erwärmen kann mittels erwärmter Luft, Heißluft, Infrarotstrahlung oder Mikrowellenstrahlung erfolgen. To create a firm bond between the coatings and the The composite electrolyte membrane is preferably, at a temperature of 20 to 500 ° C, preferably 50 to 300 ° C, most preferably 100 to 200 ° C heated. The heating can by means of heated air, hot air, infrared radiation or microwave radiation.

Zur Herstellung der Membranelektrodeneinheit werden in einer speziellen Ausführungsform auf der erfindungsgemäßen Elektrolytmembran die katalytisch aktiven (Gasdiffusions-)Elektroden aufgebaut. Hierzu wird eine Tinte aus einem Ruß-Katalysator-Pulver und mindestens einem protonenleitenden Material hergestellt. Die Tinte kann aber noch weitere Additive enthalten, die die Eigenschaften der Membranelektrodeneinheit verbessern. Der Ruß kann auch durch andere, elektrisch leitfähige Materialien (wie z. B. Metallpulver, Metalloxidpulver, Kohlenstoff, Kohle) ersetzt werden. In einer speziellen Ausführungsform wird als Katalysatorträger anstelle von Ruß ein Metall- oder Halbmetalloxidpulver (wie z. B. Aerosil) eingesetzt. Diese Tinte wird dann beispielsweise durch Siebdruck, Aufrakeln, Aufsprühen, Aufwalzen oder durch Tauchen auf die Membran aufgebracht. In a special embodiment, the membrane electrode assembly is manufactured on the electrolyte membrane according to the invention the catalytically active (Gas diffusion) electrodes built. For this purpose, an ink made of a soot catalyst powder and produced at least one proton-conducting material. The ink can also do more Contain additives that improve the properties of the membrane electrode assembly. The soot can also be caused by other electrically conductive materials (such as metal powder, Metal oxide powder, carbon, coal) can be replaced. In a special embodiment, as A metal or semimetal oxide powder (such as Aerosil) instead of carbon black used. This ink is then, for example, screen printed, knife-coated, sprayed on, Rolled on or applied to the membrane by dipping.

Die Tinte kann sämtliche protonenleitenden Materialien enthalten, die auch zur Infiltration des Trägers verwendet werden. So kann die Tinte also eine Säure oder deren Salz enthalten, die oder das durch eine chemische Reaktion im Laufe eines Verfestigungsprozesses nach dem Aufbringen der Tinte auf die Membran immobilisiert wird. Diese Säure kann also z. B. einfache Brönstedsäure, wie Schwefel- oder Phosphorsäure, oder aber eine Silylsulfon- oder Silylphosphonsäure sein. Als Materialien, die die Verfestigung der Säure unterstützen, können z. B. Al2O3, SiO2, ZrO2, TiO2 dienen, die auch über molekulare Vorstufen der Tinte zugesetzt werden. The ink can contain all proton-conducting materials that are also used to infiltrate the carrier. The ink can thus contain an acid or its salt, which is immobilized by a chemical reaction in the course of a solidification process after the ink has been applied to the membrane. So this acid can e.g. B. simple Bronsted acid, such as sulfuric or phosphoric acid, or a silylsulfonic or silylphosphonic acid. As materials that support the solidification of the acid, for. B. Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 , TiO 2 are used, which are also added via molecular precursors of the ink.

Im Gegensatz zu der protonenleitfähigen Beschichtung der Elektrolytmembran, die für die Reaktionskomponenten der Brennstoffzellenreaktion undurchlässig sein muss, müssen sowohl Kathode als auch Anode eine große Porosität aufweisen, damit die Reaktionsgase, wie Wasserstoff und Sauerstoff, ohne Stofftransporthemmung an die Grenzfläche von Katalysator und Elektrolyt herangeführt werden können. Diese Porosität lässt sich beispielsweise durch Verwendung von Metalloxidpartikeln mit einer geeigneten Partikelgröße sowie von organischen Porenbildnern in der Tinte oder durch einen geeigneten Lösungsmittelanteil in der Tinte beeinflussen. In contrast to the proton conductive coating of the electrolyte membrane, which for the Reaction components of the fuel cell reaction must be impermeable, both Both cathode and anode have a large porosity so that the reaction gases, such as Hydrogen and oxygen, without inhibiting mass transfer to the catalyst interface and electrolyte can be introduced. This porosity can be measured, for example Use of metal oxide particles with a suitable particle size and of organic pore formers in the ink or by a suitable solvent content in the Affect ink.

Als spezielle Tinte kann ein Mittel verwendet werden, das folgende Komponenten umfasst:

  • 1. eine kondensierbare Komponente, die nach der Kondensation einer Anodenschicht oder einer Kathodenschicht einer Membranelektrodeneinheit einer Brennstoffzelle Protonenleitfähigkeit verleiht,
  • 2. einen Katalysator, der die Anodenreaktion oder die Kathodenreaktion in einer Brennstoffzelle katalysiert, oder eine Vorläuferverbindung des Katalysators,
  • 3. gegebenenfalls einen Katalysatorträger
  • 4. gegebenenfalls einen Porenbildner, und
  • 5. gegebenenfalls Additive zur Verbesserung von Schaumverhalten, Viskosität und Haftung.
A medium comprising the following components can be used as the special ink:
  • 1. a condensable component which, after the condensation of an anode layer or a cathode layer of a membrane electrode assembly, imparts proton conductivity to a fuel cell,
  • 2. a catalyst which catalyzes the anode reaction or the cathode reaction in a fuel cell, or a precursor compound of the catalyst,
  • 3. optionally a catalyst support
  • 4. optionally a pore former, and
  • 5. optionally additives to improve foam behavior, viscosity and adhesion.

Die kondensierbare Komponente, die nach der Kondensation der Anodenschicht oder der Kathodenschicht Protonenleitfähigkeit verleiht, wird vorzugsweise ausgewählt aus

  • A) hydrolysierbaren Verbindung des Phosphors und/oder
    hydrolysierbaren Nitraten, Oxynitraten, Chloriden, Oxychloriden, Carbonaten, Alkoholaten, Acetaten, Acetylacetonaten eines Metalls oder Halbmetalls, vorzugsweise Aluminium-alkoholaten, Vanadium-alkoholaten, Titanpropylat, Titanethylat, Zirkoniumnitrat, Zirkonium-oxynitrat, Zirkoniumpropylat, Zirkoniumacetat oder Zirkoniumacetylacetonat, und/oder
    Metallsäuren des Aluminiums, Titans, Vanadiums, Antimons, Zinns, Bleis, Chroms, Wolframs, Molybdäns, Mangans, wobei Wolframphosphorsäure und Siliziumwolframsäure bevorzugt sind, und/oder
  • B) einer immobilisierbaren Hydroxysilylalkylsäure von Schwefel oder Phosphor oder ein Salz davon und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform zusätzlich eine die Hydroxysilylalkylsäure des Schwefels oder Phosphors bzw. deren Salz immobilisierende hydrolysierbare Verbindung des Phosphors oder ein hydrolisierbares Nitrat, Oxynitrat, Chlorid, Oxychlorid, Carbonat, Alkoholat, Acetat, Acetylacetonat eines Metalls oder Halbmetalls, vorzugsweise Phosphorsäuremethylester, Diethylphosphit (DEP), Diethylethylphosphonat (DEEP) Titanpropylat, Titanethylat, Tetraethylorthosilikat (TEOS) oder Tetramethylorthosilikat (TMOS), Zirkoniumnitrat, Zirkoniumoxynitrat, Zirkoniumpropylat, Zirkoniumacetat oder Zirkoniumacetylacetonat.
The condensable component which imparts proton conductivity to the anode layer or the cathode layer after the condensation is preferably selected from
  • A) hydrolyzable compound of phosphorus and / or
    hydrolyzable nitrates, oxynitrates, chlorides, oxychlorides, carbonates, alcoholates, acetates, acetylacetonates of a metal or semimetal, preferably aluminum alcoholates, vanadium alcoholates, titanium propylate, titanium ethylate, zirconium nitrate, zirconium oxynitrate, zirconium propylate or zirconium acetate or zirconium acetate or zirconium acetate or zirconium acetate or zirconium acetate or zirconium acetate
    Metal acids of aluminum, titanium, vanadium, antimony, tin, lead, chromium, tungsten, molybdenum, manganese, with tungsten phosphoric acid and silicon tungsten acid being preferred, and / or
  • B) an immobilizable hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or a salt thereof and, in a particularly preferred embodiment, additionally a hydrolyzable compound of phosphorus immobilizing the hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or its salt or a hydrolyzable nitrate, oxynitrate, chloride, oxychloride, carbonate, alcoholate , Acetate, acetylacetonate of a metal or semimetal, preferably methyl phosphate, diethylphosphite (DEP), diethylethylphosphonate (DEEP) titanium propylate, titanium ethylate, tetraethylorthosilicate (TEOS) or tetramethylorthosilicate (TMOS), zirconium nitrate, zirconium oxynium acetate, zirconium oxonium acetate.

Die Tinte kann aber zur Erhöhung der Protonenleitfähigkeit auch nanoskalige Oxide, wie z. B. von Aluminium, Titan, Zirkonium oder Silizium, oder aber Zirkonium- oder Titanphosphate oder -phosphonate enthalten. However, the ink can also be used to increase the proton conductivity, nanoscale oxides such. B. of aluminum, titanium, zirconium or silicon, or zirconium or titanium phosphates contain or -phosphonates.

Der Katalysator oder die Vorstufenverbindung des Katalysators umfasst vorzugsweise Platin, Palladium und/oder Ruthenium oder eine Legierung, die eine oder mehrere dieser Metalle enthält. The catalyst or the precursor compound of the catalyst preferably comprises platinum, Palladium and / or ruthenium or an alloy containing one or more of these metals contains.

Der Porenbildner, der gegebenenfalls in der Tinte enthalten ist, kann ein organischer und/oder anorganischer Stoff sein, der sich bei einer Temperatur zwischen 50 und 600°C und bevorzugt zwischen 100 und 250°C zersetzt. Insbesondere kann der anorganische Porenbildner Ammoniumcarbonat oder Ammoniumbicarbonat sein. The pore former, which is optionally contained in the ink, can be an organic and / or be inorganic material, which is preferred at a temperature between 50 and 600 ° C. decomposed between 100 and 250 ° C. In particular, the inorganic pore former Be ammonium carbonate or ammonium bicarbonate.

Der Katalysatorträger, der gegebenenfalls in der Tinte enthalten ist, ist vorzugsweise elektrisch leitfähig und umfasst vorzugsweise Ruß, Metallpulver, Metalloxidpulver, Kohlenstoff oder Kohle. The catalyst support, which is optionally contained in the ink, is preferably electrical conductive and preferably comprises carbon black, metal powder, metal oxide powder, carbon or Coal.

In einer weiteren Ausführungsform kann ein vorgefertigter Gasverteiler, der die Gasdiffusionselektrode, bestehend aus elektrisch leitfähigem Material (z. B. ein poröses Kohlevlies), Katalysator und Elektrolyt enthält, direkt auf die Membran aufgebracht werden. Im einfachsten Fall erfolgt die Fixierung von Gasverteiler und Membran durch ein Pressverfahren. Hierzu ist es erforderlich, dass Membran oder Gasverteiler bei der Presstemperatur thermoplastische Eigenschaften aufweisen. Der Gasverteiler kann aber auch durch einen Klebstoff auf der Membran fixiert werden. Dieser Klebstoff muss ionenleitende Eigenschaften aufweisen und kann prinzipiell aus den bereits oben genannten Materialklassen bestehen. Beispielsweise kann als Klebstoff ein Metalloxidsol eingesetzt werden, das zusätzlich eine Hydroxysilylsäure enthält. Schließlich kann der Gasverteiler aber auch "in situ" bei der letzten Stufe der Membran- oder Gasdiffusionselektrodenherstellung aufgebracht werden. In dieser Stufe ist das protonenleitende Material im Gasverteiler oder in der Membran noch nicht ausgehärtet und lässt sich als Klebstoff nutzen. Der Klebevorgang erfolgt in beiden Fällen durch eine Gelierung des Sols mit anschließender Trocknung/Verfestigung. In a further embodiment, a prefabricated gas distributor, the Gas diffusion electrode, consisting of electrically conductive material (e.g. a porous carbon fleece), Contains catalyst and electrolyte can be applied directly to the membrane. In the simplest In this case, the gas distributor and membrane are fixed by a pressing process. This is it requires that membrane or gas manifold be thermoplastic at the pressing temperature Have properties. However, the gas distributor can also be glued to the Membrane are fixed. This adhesive must have ion-conducting properties and can in principle consist of the material classes already mentioned above. For example a metal oxide sol can be used as an adhesive, which additionally contains a hydroxysilyl acid contains. Finally, the gas distributor can also "in situ" at the last stage of the Membrane or gas diffusion electrode production can be applied. At this stage it is proton-conducting material in the gas distributor or in the membrane has not yet hardened and can be used as an adhesive. In both cases, the gluing process is carried out by gelling of the sol with subsequent drying / solidification.

Es ist aber auch möglich den Katalysator direkt auf der Membran abzuscheiden und mit einer offenporigen Gasdiffusionselektrode (wie z. B. einem offenporigen Kohlepapier) zu versehen. Hierzu kann z. B. ein Metallsalz oder eine Säure auf die Oberfläche aufgebracht und in einem zweiten Schritt zum Metall reduziert werden. So lässt sich beispielsweise Platin über die Hexachloroplatinsäure aufbringen und zum Metall reduzieren. Im letzten Schritt wird die Ableitelektrode durch ein Pressverfahren oder über einen elektrisch leitfähigen Klebstoff fixiert. Die Lösung, die die Metallvorstufe enthält, kann zusätzlich noch eine Verbindung enthalten, die bereits protonenleitfähig ist oder zumindest am Ende des Herstellungsverfahrens ionenleitend ist. Als geeignete Materialien kommen wieder die bereits oben genannten protonenleitenden Stoffe in Frage. However, it is also possible to deposit the catalyst directly on the membrane and with a open-pore gas diffusion electrode (such as an open-pore carbon paper). For this purpose, e.g. B. applied a metal salt or an acid to the surface and in one second step to be reduced to metal. For example, platinum can be Apply hexachloroplatinic acid and reduce to metal. In the last step the Lead electrode by a pressing process or by an electrically conductive adhesive fixed. The solution containing the metal precursor can also be a compound contain, which is already proton conductive or at least at the end of the manufacturing process is ionic. Suitable materials come again from those already mentioned above proton-conducting substances in question.

Man erhält auf diese Weise eine Membranelektrodeneinheit, die in einer Brennstoffzelle, insbesondere in einer Direktmethanol-Brennstoffzelle oder einer Reformat-Brennstoffzelle, verwendet werden kann. In this way, a membrane electrode unit is obtained which, in a fuel cell, especially in a direct methanol fuel cell or a reformate fuel cell, can be used.

Die erfindungsgemäßen Elektrolytmembranen können z. B. in einer Brennstoffzelle, insbesondere in einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle oder eine Reformat-Brennstoffzelle verwendet werden. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Elektrolytmembran zur Herstellung einer Membranelektrodeneinheit, einer Brennstoffzelle, oder eines Brennstoffzellenstacks verwendet werden. The electrolyte membranes according to the invention can, for. B. in a fuel cell, especially in a direct methanol fuel cell or a reformate fuel cell be used. In particular, the electrolyte membrane according to the invention can Manufacture of a membrane electrode assembly, a fuel cell, or one Fuel cell stacks are used.

Die erfindungsgemäße Elektrolytmembran und die erfindungsgemäße Membranelektrodeneinheit kann insbesondere zur Herstellung einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstacks eingesetzt werden, wobei die Brennstoffzelle insbesondere eine Direktmethanol- Brennstoffzelle oder eine Reformat-Brennstoffzelle ist, die in einem Fahrzeug eingesetzt wird. The electrolyte membrane according to the invention and the one according to the invention Membrane electrode unit can be used in particular for producing a fuel cell or a Fuel cell stacks are used, the fuel cell in particular a direct methanol Fuel cell or a reformate fuel cell that is used in a vehicle.

Dem gemäß sind auch Brennstoffzellen mit einer erfindungsgemäßen Elektrolytmembran und/oder einer erfindungsgemäßen Membranelektrodeneinheit Gegenstand der vorliegenden Erfindung und damit auch mobile oder stationäre System mit einer Membranelektrodeneinheit, einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstack, enthaltend eine erfindungsgemäße Elektrolytmembran oder eine erfindungsgemäße Membranelektrodeneinheit. Vorzugsweise sind die mobilen oder stationären Systeme Fahrzeuge oder Hausenergiesysteme. Accordingly, there are also fuel cells with an electrolyte membrane according to the invention and / or a membrane electrode unit according to the invention the subject of the present Invention and thus also mobile or stationary system with a membrane electrode unit, a fuel cell or a fuel cell stack containing an inventive Electrolyte membrane or a membrane electrode assembly according to the invention. Preferably are the mobile or stationary systems vehicles or home energy systems.

Beispiel 1example 1

3 Gew.-%ige wässrige Lösungen von Phosphorsäure und Zirkoniumnitrat wurden durch 300 µm-Düsen bei einem Druck von 60 bar in einem Microjetreaktor gemäß WO 00/61275 aufeinander geschossen. Das erhaltene Produkt war opak/milchig-trüb. Die Partikelgrößenverteilung zeigte eine bimodale Verteilung von Partikeln mit einer Größe von um ca. 0,7 µm sowie einen geringeren Anteil von Partikeln mit einer Größe von knapp 3 µm. Diese Suspension wurde durch Abrotieren von Wasser auf eine Konzentration von etwa 10 Gew.-% eingeengt, wobei die Suspension dabei solartig/viskos wird, aber milchig/opak bleibt. Dieses Sol bzw. diese Suspension ist langzeitstabil und wurde später eingesetzt. 3 wt .-% aqueous solutions of phosphoric acid and zirconium nitrate were by 300 µm nozzles at a pressure of 60 bar in a microjet reactor according to WO 00/61275 shot at each other. The product obtained was opaque / milky-cloudy. The Particle size distribution showed a bimodal distribution of particles with a size of around 0.7 µm as well as a smaller proportion of particles with a size of just under 3 µm. This Suspension was removed by spinning off water to a concentration of about 10% by weight concentrated, whereby the suspension becomes sol-like / viscous, but remains milky / opaque. This Sol or this suspension is long-term stable and was used later.

Beispiel 2Example 2

Wässrige Lösungen von Phosphorsäure (0,2 M) und Zirkoniumnitrat (0,05 M) wurden durch 100 µm-Düsen bei einem Druck von 60 bar in einem Microjetreaktor gemäß WO 00/61275 aufeinander geschossen. Das erhaltene Produkt ist opak/milchig-trüb. Die Partikelgrößenverteilung zeigt eine vergleichbare Verteilung wie Beispiel 1. Die Suspension lässt sich durch Abrotieren von Wasser weiter einengen und wird dabei solartig/viskos, bleibt aber milchig/opak. Dieses Sol bzw. diese Suspension ist langzeitstabil. Aqueous solutions of phosphoric acid (0.2 M) and zirconium nitrate (0.05 M) were made by 100 µm nozzles at a pressure of 60 bar in a microjet reactor according to WO 00/61275 shot at each other. The product obtained is opaque / milky-cloudy. The Particle size distribution shows a distribution comparable to that of Example 1. The suspension can be passed through Concentrate the spinning off of water and becomes sol-like / viscous, but remains milky / opaque. This sol or suspension is long-term stable.

Beispiel 3Example 3

Der Suspension aus Beispiel 1 werden nach dem Einengen noch 5 Gew.-% Aerosil 200 (Degussa AG) zugegeben. Diese Suspension wird dann nochmals für 24 h mit einem Magnetrührer homogenisiert. After concentration, 5% by weight of Aerosil 200 are added to the suspension from Example 1 (Degussa AG) added. This suspension is then again for 24 h with a Homogenized magnetic stirrer.

Beispiel 4Example 4

50 g der Suspension aus Beispiel 1 werden mit 5 g Al2O3 und 0,23 g TODS (2-[2-(2- Methoxyethoxy)ethoxy]essigsäure) versetzt. Mit diesem Schlicker wird in einem kontinuierlichen Verfahren ein S2-Glasgewebe beschichtet und bei 150 bis 200°C innerhalb von 5 Min. getrocknet. Die Membran besitzt eine unerwartet hohe Leitfähigkeit von 0,2 mS/cm und ist flexibel. 50 g of the suspension from Example 1 are mixed with 5 g of Al 2 O 3 and 0.23 g of TODS (2- [2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] acetic acid). A S2 glass fabric is coated with this slip in a continuous process and dried at 150 to 200 ° C. within 5 minutes. The membrane has an unexpectedly high conductivity of 0.2 mS / cm and is flexible.

Beispiel 5Example 5

Mit der Suspension aus Beispiel 1 wurde direkt ein Glasgewebe in einem kontinuierlichen Verfahren beschichtet. Dazu wurde die Suspension auf ein S2-Glasgewebe (CS-Interglas) aufgerakelt und bei einer Temperatur von 160°C innerhalb von 10 Min. verfestigt. Die erhaltene Membran zeigt eine gute Leitfähigkeit von ca. 1 mS/cm. Die Membran zeigt eine ähnlich gute Flexibilität wie das Ausgangsgewebe. With the suspension from Example 1, a glass fabric was directly in a continuous Process coated. For this, the suspension was placed on a S2 glass fabric (CS interglass) doctored and solidified at a temperature of 160 ° C within 10 minutes. The membrane obtained shows a good conductivity of about 1 mS / cm. The membrane shows one similarly good flexibility as the original fabric.

Beispiel 6Example 6

Mit der Suspension aus Beispiel 2 wird direkt ein Glasgewebe mittels Aufrakeln beschichtet. Die Membran wird dann bei 300°C für 15 Min. in einem Kammerofen verfestigt. Die danach wasserunlösliche Membran weist eine Leitfähigkeit von ca. 2 mS/cm bei 92% relativer Feuchte (r. F.) und 23°C auf. Aufgrund der Beständigkeit in Wasser und Methanol ist diese Membran für die DMFC sehr gut geeignet. A glass fabric is coated directly with a doctor knife using the suspension from Example 2. The membrane is then solidified at 300 ° C for 15 minutes in a chamber furnace. The afterwards water-insoluble membrane has a conductivity of approx. 2 mS / cm at 92% relative Humidity (RH) and 23 ° C. Due to the resistance in water and methanol this is Membrane very suitable for the DMFC.

Beispiel 7Example 7

Ein S-Glasgewebe mit einer Dicke von 70 µm wird mit der Suspension aus Beispiel 1 durch einen fünfmaligen Aufrakelprozess infiltriert. Zwischen den Infiltrationsschritten wird das Gewebe mit einem Heißluftgebläse bei ca. 150°C vorverfestigt. Nach der letzten Beschichtung, bei der die letzten kleinen Poren gefüllt werden, wird die Membran endgültig bei 300°C für 15 Min. durch Heißluft verfestigt. Diese in Wasser und Methanol stabile Membran besitzt eine Leitfähigkeit von ca. 4 mS/cm bei 80% relativer Luftfeuchtigkeit und kann in einer DMFC eingesetzt werden. An S-glass fabric with a thickness of 70 μm is passed through with the suspension from Example 1 infiltrated a five-time squeegee process. Between the infiltration steps, that is Pre-consolidated tissue with a hot air blower at approx. 150 ° C. After the last one Coating, in which the last small pores are filled, becomes the membrane finally 300 ° C for 15 minutes solidified by hot air. This membrane is stable in water and methanol has a conductivity of approx. 4 mS / cm at 80% relative humidity and can be used in one DMFC can be used.

Beispiel 8Example 8

Ein S-Glasgewebe mit einer Dicke von 70 µm wird mit der Suspension aus Beispiel 3 durch einen dreimaligen Aufrakelprozess infiltriert. Zwischen den Infiltrationsschritten wird das Gewebe mit einem Heißluftgebläse bei ca. 150°C vorverfestigt. Nach der letzten Beschichtung, bei der die letzten kleinen Poren gefüllt werden, wird die Membran endgültig bei 300°C für 15 Min. durch Heißluft verfestigt. Diese in Wasser und Methanol stabile Membran besitzt eine Leitfähigkeit von ca. 1 mS/cm bei 80% relativer Luftfeuchtigkeit und kann in einer DMFC eingesetzt werden. An S-glass fabric with a thickness of 70 μm is passed through with the suspension from Example 3 infiltrated a three-time squeegee process. Between the infiltration steps, that is Pre-consolidated tissue with a hot air blower at approx. 150 ° C. After the last one Coating, in which the last small pores are filled, becomes the membrane finally 300 ° C for 15 minutes solidified by hot air. This membrane is stable in water and methanol has a conductivity of approx. 1 mS / cm at 80% relative humidity and can be used in one DMFC can be used.

Claims (47)

1. Protonenleitende Membran, umfassend ein flächiges, mit einer Vielzahl von Öffnungen versehenes, flexibles Substrat mit einer auf und in diesem Substrat befindlichen Beschichtung, wobei das Material des Substrates ausgewählt ist aus gewebten oder ungewebten, nicht elektrisch leitfähigen Fasern von Glas oder Keramik oder einer Kombination solcher Materialien, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung protonenleitende nanoskalige Partikel von Zirkoniumphosphat mit einer Primärpartikelgröße kleiner 5000 nm aufweist und undurchlässig für die Reaktionskomponenten in einer Brennstoffzelle ist. 1. Proton-conducting membrane, comprising a flat, provided with a plurality of openings, flexible substrate with a coating on and in this substrate, the material of the substrate being selected from woven or non-woven, non-electrically conductive fibers of glass or ceramic or one Combination of such materials, characterized in that the coating has proton-conducting nanoscale particles of zirconium phosphate with a primary particle size of less than 5000 nm and is impermeable to the reaction components in a fuel cell. 2. Protonenleitende Membran gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine Dicke von kleiner 100 µm aufweist. 2. Proton-conducting membrane according to claim 1, characterized, that the membrane has a thickness of less than 100 microns. 3. Protonenleitende Membran gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine Dicke von kleiner 50 µm aufweist. 3. Proton-conducting membrane according to claim 2, characterized, that the membrane has a thickness of less than 50 microns. 4. Protonenleitende Membran gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern ausgewählt sind aus Glas, Aluminiumoxid, SiO2, SiC, Si3N4, BN, B4N, AlN, Sialone oder ZrO2. 4. Proton-conducting membrane according to one of claims 1 to 3, characterized in that the fibers are selected from glass, aluminum oxide, SiO 2 , SiC, Si 3 N 4 , BN, B 4 N, AlN, Sialone or ZrO 2 . 5. Protonenleitende Membran gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Substrates ein Glasfasergewebe oder -vlies aus gewebten oder ungewebten Fasern aus Glas ist. 5. Proton-conducting membrane according to at least one of claims 1 to 4, characterized, that the material of the substrate is a glass fiber woven or nonwoven made of woven or is non-woven glass fiber. 6. Protonenleitende Membran gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern ausgewählt sind aus E-, R-, ECR- oder S-Glas. 6. Proton-conducting membrane according to claim 5, characterized, that the fibers are selected from E, R, ECR or S glass. 7. Protonenleitende Membran gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamente mit SiO2, ZrO2, TiO2 oder Al2O3 oder mit Gemischen dieser Oxide beschichtet sind. 7. Proton-conducting membrane according to claim 6, characterized in that the filaments are coated with SiO 2 , ZrO 2 , TiO 2 or Al 2 O 3 or with mixtures of these oxides. 8. Protonenleitende Membran gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasfasergewebe aus 2 bis 20 tex Garnen hergestellt wurde. 8. Proton-conducting membrane according to claim 6 or 7, characterized, that the glass fiber fabric was made from 2 to 20 tex yarns. 9. Protonenleitende Membran gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasfasergewebe aus 5,5 oder 11 tex Garnen hergestellt wurde. 9. proton-conducting membrane according to claim 8, characterized, that the glass fiber fabric was made from 5.5 or 11 tex yarns. 10. Protonenleitende Membran gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die auf und in dem Substrat befindliche Beschichtung ein Oxid, Nitrid, Carbid der Metalle Al, Zr, Si, oder Ti aufweist. 10. proton-conducting membrane according to at least one of claims 1 to 9, characterized, that the coating on and in the substrate is an oxide, nitride, carbide Metals Al, Zr, Si, or Ti. 11. Protonenleitende Membran gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine Reißfestigkeit von mindestens 5 N/cm bis zu 500 N/cm aufweist. 11. Proton-conducting membrane according to at least one of claims 1 to 10, characterized, that the membrane has a tensile strength of at least 5 N / cm up to 500 N / cm. 12. Protonenleitende Membran gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran ohne Beschädigung auf jeden Radius bis herab zu 5 mm biegbar ist. 12. Proton-conducting membrane according to at least one of claims 1 to 11, characterized, that the membrane can be bent down to 5 mm on any radius without damage. 13. Protonenleitende Membran gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung nanoskalige Zirkoniumphosphat-Partikel mit einer Partikelgröße von 1 bis 1000 nm aufweist. 13. Proton-conducting membrane according to at least one of claims 1 to 12, characterized, that coating nanoscale zirconium phosphate particles with a particle size from 1 to 1000 nm. 14. Protonenleitende Membran gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine Protonenleitfähigkeit von größer 1 mS/cm aufweist. 14. Proton-conducting membrane according to claim 13, characterized, that the membrane has a proton conductivity of greater than 1 mS / cm. 15. Protonenleitende Membran gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung neben den nanoskaligen Zirkoniumphosphat-Partikeln zumindest ein Oxid der Elemente Al, Zr, Si, und/oder Ti, aufweist. 15. Proton-conducting membrane according to at least one of claims 1 to 14, characterized, that the coating, in addition to the nanoscale zirconium phosphate particles, at least has an oxide of the elements Al, Zr, Si, and / or Ti. 16. Verfahren zur Herstellung einer protonenleitenden Membran gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei ein flächiges, mit einer Vielzahl von Öffnungen versehenes, flexibles Substrat in und auf diesem Substrat mit einer Beschichtung versehen wird, wobei das Material des Substrates gewebte oder ungewebte, nicht elektrisch leitfähige Fasern von Glas oder Keramik oder einer Kombination solcher Materialien aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass durch Aufbringen einer Suspension oder eines Sols, die bzw. das zumindest nanoskalige Zirkoniumphosphat-Partikel aufweist, auf das Substrat und durch zumindest einmaliges Erwärmen, bei welchem die Suspension oder das Sol auf und im Substrat verfestigt wird, eine Beschichtung aufgebracht wird. 16. A method for producing a proton-conducting membrane according to at least one of the Claims 1 to 15, wherein a flat, provided with a plurality of openings, flexible substrate is provided in and on this substrate with a coating, wherein the material of the substrate is woven or non-woven, non-electrically conductive fibers Glass or ceramic or a combination of such materials, characterized, that by applying a suspension or sol, at least has nanoscale zirconium phosphate particles on the substrate and by at least single heating, in which the suspension or the sol on and in the substrate is solidified, a coating is applied. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension oder das Sol durch Aufdrucken, Aufpressen, Einpressen Aufrollen, Aufrakeln, Aufstreichen, Tauchen, Spritzen oder Aufgießen auf das Substrat gebracht wird. 17. The method according to claim 16, characterized, that the suspension or sol is rolled up by printing, pressing, pressing, Knife, spread, dip, spray or pour onto the substrate becomes. 18. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des Substrats ausgewählt sind aus Glas, Aluminiumoxid, SiO2, SiC, Si3N4, BN, B4N, AlN, Sialone oder ZrO2. 18. The method according to at least one of claims 16 or 17, characterized in that the fibers of the substrate are selected from glass, aluminum oxide, SiO 2 , SiC, Si3N4, BN, B 4 N, AlN, Sialone or ZrO 2 . 19. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Material des Substrates ein Glasfasergewebe oder -vlies aus gewebten oder ungewebten Fasern aus Glas eingesetzt wird. 19. The method according to at least one of claims 16 to 18, characterized, that as the material of the substrate a glass fiber fabric or nonwoven made of woven or non-woven glass fibers are used. 20. Verfahren gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Material des Substrates ein mit einer porösen Keramikbeschichtung versehenes Glasfasertextil eingesetzt wird. 20. The method according to claim 19, characterized, that as a material of the substrate provided with a porous ceramic coating Glass fiber textile is used. 21. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoskaligen Zirkoniumphosphat-Partikel zur Herstellung der Suspension durch Aufeinanderschiessen einer in einem geeigneten Lösemittel löslichen Zirkoniumverbindung und einer Lösung, die phosphorhaltige Verbindungen aufweist, in einem Microjetreaktor erzeugt werden. 21. The method according to at least one of claims 16 to 20, characterized, that the nanoscale zirconium phosphate particles are used to make the suspension Shoot one another in a suitable solvent Zirconium compound and a solution containing phosphorus-containing compounds in one Microjet reactor are generated. 22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte lösliche Zirkoniumverbindung ausgewählt ist aus Zirkoniumnitrat, Zirkoniumchlorid, Zirkoniumacetat, Zirkoniumacetylacetonat oder einem Zirkoniumalkoholat. 22. The method according to claim 21, characterized, that the soluble zirconium compound used is selected from zirconium nitrate, Zirconium chloride, zirconium acetate, zirconium acetylacetonate or one Zirconium alcoholate. 23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte phosphorhaltige Verbindungen aufweisende Lösung zumindest eine Verbindung, ausgewählt aus Phosphorsäure oder Phosphatsalz, aufweist. 23. The method according to claim 22, characterized, that the solution containing phosphorus compounds used has at least one Compound selected from phosphoric acid or phosphate salt. 24. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte Suspension oder das Sol, die bzw. das nanoskalige Zirkoniumphosphat-Partikel aufweist, ein Sol zumindest eines Metalls, Halbmetalls oder Mischmetalls oder eine Mischung dieser Sole aufweist. 24. The method according to at least one of claims 16 to 23, characterized, that the suspension or sol used, the or the nanoscale Has zirconium phosphate particles, a sol of at least one metal, semimetal or Mixed metal or a mixture of these brine. 25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Sole durch Hydrolisieren zumindest einer Metallverbindung, zumindest einer Halbmetallverbindung oder zumindest einer Mischmetallverbindung mit Wasser, Wasserdampf, Eis oder einer Säure oder eine Kombination dieser Verbindungen erhalten werden. 25. The method according to claim 24, characterized, that the brine by hydrolyzing at least one metal compound, at least one Semimetal compound or at least one mixed metal compound with water, Water vapor, ice or an acid or a combination of these compounds can be obtained. 26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Metallalkoholatverbindung oder zumindest eine Halbmetallalkoholatverbindung ausgewählt aus den Alkoholatverbindungen der Elemente Zr, Al, Si, und Ti oder zumindest ein, Acetat, Acetylacetonat, Nitrat, Carbonat oder Halogenid ausgewählt aus den Metall- oder Halbmetallsalzen der Elemente Zr, Al, Si, und Ti hydrolisiert wird. 26. The method according to claim 25, characterized, that at least one metal alcoholate compound or at least one Semi-metal alcoholate compound selected from the alcoholate compounds of the elements Zr, Al, Si, and Ti or at least one, acetate, acetylacetonate, nitrate, carbonate or halide is hydrolyzed from the metal or semimetal salts of the elements Zr, Al, Si, and Ti. 27. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension zumindest ein Oxid, ausgewählt aus den Oxiden der Elemente Zr, Al, Ti, oder Si, suspendiert aufweist. 27. The method according to at least one of claims 16 to 26, characterized, that the suspension has at least one oxide selected from the oxides of the elements Zr, Al, Ti, or Si, has suspended. 28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenanteil der suspendierten Oxide dem 0,1 bis 10-fachen des eingesetzten Massenanteils an Zirkoniumphosphat entspricht. 28. The method according to claim 27, characterized, that the mass fraction of the suspended oxides 0.1 to 10 times that used Mass fraction of zirconium phosphate corresponds. 29. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die auf und im Support vorhandene Suspension bzw. das Sol durch Erwärmen auf eine Temperatur von 50 bis 500°C, bevorzugt von 150 bis 300°C verfestigt wird. 29. The method according to at least one of claims 16 to 28, characterized, that the suspension or the sol present on and in the support by heating up a temperature of 50 to 500 ° C, preferably from 150 to 300 ° C is solidified. 30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen für 1 Sekunde bis 10 Minuten erfolgt. 30. The method according to claim 29, characterized, that the heating takes place for 1 second to 10 minutes. 31. Membranelektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle, mit einer elektrisch leitfähigen Anoden- und Kathodenschicht, die jeweils auf gegenüberliegenden Seiten einer protonenleitenden Membran angeordnet sind und wobei die Membran ein flächiges, mit einer Vielzahl von Öffnungen versehenes, flexibles Substrat mit einer auf und in diesem Substrat befindlichen Beschichtung umfasst, wobei das Material des Substrates ausgewählt ist aus gewebten oder ungewebten, nicht elektrisch leitfähigen Fasern von Glas oder Keramik oder einer Kombination solcher Materialien und die Beschichtung protonenleitende nanoskalige Partikel von Zirkoniumphosphat mit einer Primärpartikelgröße kleiner 5000 nm aufweist und die Membran undurchlässig für die Reaktionskomponenten in einer Brennstoffzelle ist, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Anodenschicht und die Kathodenschicht porös sind und jeweils einen Katalysator für die Anoden- und Kathodenreaktion, eine protonenleitfähige Komponente und gegebenenfalls einen Katalysatorträger umfassen. 31. Membrane electrode unit for a fuel cell, with an electrically conductive Anode and cathode layers, each on opposite sides of one proton-conducting membrane are arranged and wherein the membrane is a flat, with a plurality of openings provided, flexible substrate with one on and in this Coating located substrate, wherein the material of the substrate selected is made of woven or non-woven, non-electrically conductive fibers of glass or Ceramic or a combination of such materials and the coating proton-conducting nanoscale particles of zirconium phosphate with a Primary particle size less than 5000 nm and the membrane impermeable to Reaction components in a fuel cell, in particular according to one of claims 1 to 15, wherein the anode layer and the cathode layer are porous and one each Catalyst for the anode and cathode reaction, a proton conductive component and optionally include a catalyst support. 32. Membranelektrodeneinheit nach Anspruch 31, wobei die protonenleitfähige Komponente der Anoden- und/oder Kathodenschicht und/oder der Elektrolytmembran jeweils umfasst a) eine immobilisierte Hydroxysilylalkylsäure von Schwefel oder Phosphor oder ein Salz davon sowie gegebenenfalls ein Oxid von Aluminium, Silizium, Titan, Zirkonium und/oder Phosphor, und/oder b) eine Brönstedsäure und ein Oxid von Aluminium, Silizium, Titan, Zirkonium, und/oder Phosphor. 32. Membrane electrode unit according to claim 31, wherein the proton-conductive component of the anode and / or cathode layer and / or the electrolyte membrane each comprises a) an immobilized hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or a salt thereof and optionally an oxide of aluminum, silicon, titanium, zirconium and / or phosphorus, and / or b) a Bronsted acid and an oxide of aluminum, silicon, titanium, zirconium, and / or phosphorus. 33. Membranelektrodeneinheit nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Brönstedsäure Schwefelsäure, Phosphorsäure, Perchlorsäure, Salpetersäure, Chlorwasserstoffsäure, schweflige Säure, phosphorige Säure sowie Ester davon und/oder eine monomere oder polymere organische Säure umfasst. 33. membrane electrode assembly according to claim 32, characterized, that the Bronsted acid sulfuric acid, phosphoric acid, perchloric acid, nitric acid, Hydrochloric acid, sulfurous acid, phosphorous acid and esters thereof and / or comprises a monomeric or polymeric organic acid. 34. Membranelektrodeneinheit nach Anspruch 33, wobei die Hydroxysilylalkylsäure des Schwefels oder Phosphors oder ein Salz davon eine siliziumorganische Verbindung der allgemeinen Formeln

[{(RO)y(R2)z}aSi{R1-SO3 -}a]xMx+ (I)

oder

[(RO)y(R2)zSi{R1-Ob-P(OcR3)O2 -}a]xMx+ (II)

ist, wobei R1 für eine lineare oder verzweigte Alkyl- oder Alkylengruppe mit 1 bis 12 C- Atomen, eine Cycloalkylgruppe mit 5 bis 8 C-Atomen oder eine Einheit der allgemeinen Formeln


steht,
wobei
n, m jeweils für eine ganze Zahl von 0 bis 6 steht,
M für H, NH4 oder ein Metall steht,
x = 1 bis 4,
y = 1 bis 3, z = 0 bis 2 und a = 1 bis 3 bedeuten, mit der Maßgabe, dass
y + z = 4 - a ist,
b, c = 0 oder 1,
R, R2 gleich oder verschieden sind und für Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butylreste oder H stehen und
R3 für M oder einen Methyl-, Ethyl-, Propyl- oder Butylrest steht.
34. Membrane electrode unit according to claim 33, wherein the hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or a salt thereof is an organosilicon compound of the general formulas

[{(RO) y (R 2 ) z } a Si {R 1 -SO 3 - } a ] x M x + (I)

or

[(RO) y (R 2 ) z Si {R 1 -O b -P (O c R 3 ) O 2 - } a ] x M x + (II)

, where R 1 is a linear or branched alkyl or alkylene group having 1 to 12 carbon atoms, a cycloalkyl group having 5 to 8 carbon atoms or a unit of the general formulas


stands,
in which
n, m each represents an integer from 0 to 6,
M represents H, NH 4 or a metal,
x = 1 to 4,
y = 1 to 3, z = 0 to 2 and a = 1 to 3, with the proviso that
y + z = 4 - a,
b, c = 0 or 1,
R, R 2 are the same or different and stand for methyl, ethyl, propyl, butyl or H and
R 3 represents M or a methyl, ethyl, propyl or butyl radical.
35. Membranelektrodeneinheit nach Anspruch 34, wobei die Hydroxysilylalkylsäure des Schwefels oder Phosphors Trihydroxysilylpropylsulfonsäure, Trihydroxysilylpropylmethylphosphonsäure oder Dihydroxysilylpropylsulfondisäure ist. 35. Membrane electrode unit according to claim 34, wherein the hydroxysilylalkyl acid Sulfur or phosphorus trihydroxysilylpropylsulfonic acid, Trihydroxysilylpropylmethylphosphonic acid or dihydroxysilylpropylsulfonedioic acid. 36. Membranelektrodeneinheit nach einem der Ansprüche 32, 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydroxysilylalkylsäure des Schwefels oder Phosphors oder ein Salz davon mit einer hydrolysierten Verbindung des Phosphors oder einem hydrolisierten Nitrat, Oxynitrat, Chlorid, Oxychlorid, Carbonat, Alkoholat, Acetat, Acetylacetonat eines Metalls oder Halbmetalls oder mit einer hydrolysierten Verbindung, erhalten durch Hydrolyse von Diethylphosphit (DEP), Diethylethylphosphonat (DEEP), Titanpropylat, Titanethylat, Tetraethylorthosilikat (TEOS) oder Tetramethylorthosilikat (TMOS), Zirkoniumnitrat, Zirkoniumoxynitrat, Zirkoniumpropylat, Zirkoniumacetat, Zirkoniumacetylacetonat, Phosphorsäuremethylester oder mit gefällter Kieselsäure immobilisiert ist. 36. membrane electrode assembly according to one of claims 32, 34 or 35, characterized, that having the hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or a salt thereof a hydrolyzed compound of phosphorus or a hydrolyzed nitrate, Oxynitrate, chloride, oxychloride, carbonate, alcoholate, acetate, acetylacetonate of a metal or semimetal or with a hydrolyzed compound obtained by hydrolysis of Diethyl phosphite (DEP), diethyl ethyl phosphonate (DEEP), titanium propylate, titanium ethylate, Tetraethyl orthosilicate (TEOS) or tetramethyl orthosilicate (TMOS), zirconium nitrate, Zirconium oxynitrate, zirconium propylate, zirconium acetate, zirconium acetylacetonate, Phosphoric acid methyl ester or immobilized with precipitated silica. 37. Membranelektrodeneinheit nach einem der Ansprüche 32 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die protonenleitende Komponente protonenleitende Stoffe aufweist, ausgewählt aus den Titanphosphaten, Titanphosphonaten, Zirkoniumphosphaten, Zirkoniumphosphonaten, Iso- und Heteropolysäuren, vorzugsweise Wolframphosphorsäure oder Siliziumwolframsäure, oder nanokristallinen Metalloxiden, wobei Al2O3-, ZrO2-, TiO2- oder SiO2-Pulver bevorzugt sind. 37. Membrane electrode unit according to one of claims 32 to 36, characterized in that the proton-conducting component has proton-conducting substances selected from the titanium phosphates, titanium phosphonates, zirconium phosphates, zirconium phosphonates, iso- and heteropolyacids, preferably tungsten phosphoric acid or silicon tungstic acid, or nanocrystalline metal oxides, where Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 or SiO 2 powder are preferred. 38. Membranelektrodeneinheit nach einem der Ansprüche 32 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass sie bei einer Temperatur von mindestens 80°C, vorzugsweise bei mindestens 100°C, und ganz besonders bevorzugt bei mindestens 120°C betrieben werden kann. 38. membrane electrode assembly according to one of claims 32 to 37, characterized, that they are at a temperature of at least 80 ° C, preferably at least 100 ° C, and very particularly preferably can be operated at at least 120 ° C. 39. Membranelektrodeneinheit nach einem der Ansprüche 32 bis 38, die einen Biegeradius von bis herab zu 5000 mm, vorzugsweise von bis herab zu 100 mm, ganz besonders bevorzugt von bis herab zu 50 mm toleriert. 39. Membrane electrode unit according to one of claims 32 to 38, which has a bending radius from down to 5000 mm, preferably from down to 100 mm, very particularly preferably tolerated from down to 50 mm. 40. Membranelektrodeneinheit nach einem der Ansprüche 32 bis 39, wobei die protonenleitfähige Komponente der Anodenschicht und der Kathodenschicht die gleiche Zusammensetzung aufweisen. 40. Membrane electrode unit according to one of claims 32 to 39, wherein the proton conductive component of the anode layer and the cathode layer the same Have composition. 41. Membranelektrodeneinheit nach einem der Ansprüche 32 bis 40, wobei die Anodenschicht und die Kathodenschicht unterschiedliche Katalysatoren aufweisen. 41. Membrane electrode unit according to one of claims 32 to 40, wherein the anode layer and the cathode layer have different catalysts. 42. Membranelektrodeneinheit nach einem der Ansprüche 32 bis 41, wobei der Katalysatorträger in der Anodenschicht und in der Kathodenschicht elektrisch leitfähig ist. 42. Membrane electrode unit according to one of claims 32 to 41, wherein the Catalyst carrier in the anode layer and in the cathode layer is electrically conductive. 43. Verwendung einer Membran gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 als Elektrolytmembran in einer Brennstoffzelle. 43. Use of a membrane according to one of claims 1 to 15 as an electrolyte membrane in a fuel cell. 44. Brennstoffzelle mit einer Elektrolytmembran gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15. 44. Fuel cell with an electrolyte membrane according to one of claims 1 to 15. 45. Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodeneinheit gemäß einem der Ansprüche 32 bis 42. 45. Fuel cell with a membrane electrode assembly according to one of claims 32 to 42nd 46. Mobiles oder stationäres System mit einer Membranelektrodeneinheit, einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstack, enthaltend eine Elektrolytmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 15 oder eine Membranelektrodeneinheit gemäß einem der Ansprüche 32 bis 42. 46. Mobile or stationary system with a membrane electrode assembly, one Fuel cell or a fuel cell stack containing an electrolyte membrane after one of claims 1 to 15 or a membrane electrode assembly according to one of the Claims 32 to 42. 47. Mobiles oder stationäres System nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile System ein Fahrzeug und das stationäre System ein Hausenergiesystem ist. 47. Mobile or stationary system according to claim 47, characterized, that the mobile system is a vehicle and the stationary system is a house energy system.
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