DE10205850A1 - Flexible electrolyte membrane based on a glass fabric, process for its production and the use thereof - Google Patents
Flexible electrolyte membrane based on a glass fabric, process for its production and the use thereofInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine protonenleitende Membran, ein Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung. Diese für die Reaktionskomponenten der Brennstoffzellenreaktion undurchlässige, protonenleitfähige, flexible Elektrolytmembran für eine Brennstoffzelle, umfasst einen stoffdurchlässigen, flexiblen, durchbrochenen, ein Glas umfassenden Träger, wobei der Träger mit einem Gel durchsetzt ist, das geeignet ist, selektiv Protonen durch die Membran zu leiten. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Membran stellt eine neue Klasse von festen protonenleitenden Membranen dar. Basis ist ein poröser und flexibler Träger aus Glas. Dieser wird mit einem protonenleitenden Material infiltriert, dann wird die Membran getrocknet und das protonenleitende Material zu einem Gel verfestigt, so dass am Ende eine stoffundurchlässige, protonenleitende Membran erhalten wird. Die Elektrolytmembran bleibt dabei flexibel und kann problemlos als Membran in einer Brennstoffzelle verwendet werden.The invention relates to a proton-conducting membrane, a process for its production and its use. This proton-conductive, flexible electrolyte membrane for a fuel cell, which is impermeable to the reaction components of the fuel cell reaction, comprises a permeable, flexible, perforated support comprising a glass, the support being permeated with a gel which is suitable for selectively guiding protons through the membrane. DOLLAR A The membrane according to the invention represents a new class of solid proton-conducting membranes. The basis is a porous and flexible support made of glass. This is infiltrated with a proton-conducting material, then the membrane is dried and the proton-conducting material is solidified into a gel, so that in the end an impermeable, proton-conducting membrane is obtained. The electrolyte membrane remains flexible and can easily be used as a membrane in a fuel cell.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft spezielle protonenleitfähige, flexible Elektrolytmembranen insbesondere für eine Brennstoffzelle, ein Verfahren zur Herstellung dieser Elektrolytmembranen sowie eine flexible Membranelektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle, die eine erfindungsgemäße Elektrolytmembran umfasst. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner spezielle Zwischenprodukte bei der Herstellung der Membranelektrodeneinheit und spezielle Verwendungen der Elektrolytmembran und Membranelektrodeneinheit. The present invention relates to special proton-conductive, flexible electrolyte membranes in particular for a fuel cell, a method for producing it Electrolyte membranes and a flexible membrane electrode assembly for a fuel cell, the one comprises electrolyte membrane according to the invention. The present invention further relates to special intermediates in the manufacture of the membrane electrode assembly and special Uses of the electrolyte membrane and membrane electrode assembly.
Brennstoffzellen enthalten Elektrolytmembranen, die einerseits den Protonenaustausch zwischen den Halbzellenreaktionen gewährleisten und andererseits verhindern, dass es zu einem Kurzschluss zwischen den Halbzellenreaktionen kommt. Fuel cells contain electrolyte membranes, on the one hand, the proton exchange ensure between the half-cell reactions and on the other hand prevent it from there is a short circuit between the half-cell reactions.
Herkömmlicherweise werden in Brennstoffzellen sogenannte Membranelektrodeneinheiten (MEAs) eingesetzt, die aus einer ionenleitenden Elektrolytmembran und den darauf aufgebrachten gegebenenfalls katalytisch wirksamen Elektroden (Anode und Kathode) bestehen. So-called membrane electrode units are conventionally used in fuel cells (MEAs) used, which consist of an ion-conducting electrolyte membrane and the applied, if necessary, catalytically active electrodes (anode and cathode).
Aus dem Stand der Technik sind als protonenaustauschende Membranen (PEMs) für Brennstoffzellen Elektrolytmembranen aus organischen Polymeren bekannt, die mit sauren Gruppen modifiziert sind, wie beispielsweise Nafion® (DuPont, EP 0 956 604), sulfonierte Polyetherketone (Höchst, EP 0 574 791), sulfonierte Kohlenwasserstoffe (Dais, EP 1 049 724) oder die phosphorsäurehaltigen Polybenzimidazolmembranen (Celanese, WO 99/04445). From the prior art, proton exchange membranes (PEMs) are used for Fuel cell electrolyte membranes made from organic polymers known to have acidic groups are modified, such as Nafion® (DuPont, EP 0 956 604), sulfonated Polyether ketones (Höchst, EP 0 574 791), sulfonated hydrocarbons (Dais, EP 1 049 724) or the phosphoric acid-containing polybenzimidazole membranes (Celanese, WO 99/04445).
Organische Polymere haben jedoch den Nachteil, dass die Leitfähigkeit vom Wassergehalt der Membranen abhängt. Deshalb müssen diese Membranen vor dem Einsatz in der Brennstoffzelle in Wasser gequellt werden und obwohl an der Kathode ständig Wasser gebildet wird, muss während des Betriebs der Membran von Außen zusätzlich Wasser zugesetzt werden, um ein Austrocknen bzw. eine Abnahme der Protonenleitfähigkeit, zu verhindern. Typischerweise müssen organische Polymermembran in einer Brennstoffzelle sowohl anoden- als auch kathodenseitig in einer mit Wasserdampf gesättigten Atmosphäre betrieben werden. However, organic polymers have the disadvantage that the conductivity depends on the water content of the Depends on membranes. Therefore, these membranes must be used in the Fuel cells are swollen in water and although water is constantly being formed on the cathode, additional water must be added from the outside during operation of the membrane in order to prevent drying out or a decrease in proton conductivity. typically, must have organic polymer membrane in a fuel cell both anode and be operated on the cathode side in an atmosphere saturated with water vapor.
Bei erhöhter Betriebstemperatur können Elektrolytmembranen aus organischen Polymeren nicht verwendet werden, weil bei Temperaturen von mehr als etwa 100°C der Wassergehalt in der Membran bei Atmosphärendruck nicht mehr gewährleistet werden kann. Der Einsatz von solchen Membranen in einer Reformat- oder Direktmethanol-Brennstoffzelle ist daher in der Regel nicht möglich. Dazu kommt, dass die Polymermembranen beim Einsatz in einer Direktmethanol-Brennstoffzelle eine zu große Permeabilität für Methanol zeigen. Durch das sogenannte cross-over von Methanol auf die Kathodenseite lassen sich nur geringe Leistungsdichten in der Direktmethanol-Brennstoffzelle realisieren. At elevated operating temperatures, electrolyte membranes can be made from organic polymers not be used because the water content in at temperatures above about 100 ° C the membrane can no longer be guaranteed at atmospheric pressure. The use of such membranes in a reformate or direct methanol fuel cell is therefore in the Usually not possible. In addition, the polymer membranes are used in a Direct methanol fuel cells show too high a permeability for methanol. By the So-called cross-over of methanol on the cathode side can only be slight Realize power densities in the direct methanol fuel cell.
Daher sind herkömmliche organische Polymermembranen zur Anwendung in einer Reformat- oder Direktmethanol-Brennstoffzelle trotz der hohen Protonenleitfähigkeit in der Praxis nicht brauchbar. Therefore, conventional organic polymer membranes for use in a reformate or direct methanol fuel cell not in practice despite the high proton conductivity useful.
Anorganische Protonenleiter sind z. B. aus "Proton Conductors", P. Colomban, Cambridge University Press, 1992 bekannt. Für die Zwecke einer Brennstoffzelle zeigen aus der EP 0 838 258 bekannte protonenleitfähige Zirkoniumphosphate aber zu geringe Leitfähigkeiten. Andererseits wird bei Defektperowskiten eine brauchbare Protonenleitfähigkeit erst bei Temperaturen erreicht, die über den in der Praxis vorkommenden Betriebstemperaturen einer Brennstoffzelle liegen. Bekannte protonenleitende MHSO4-Salze sind leicht in Wasser löslich und kommen daher für Brennstoffzellenanwendungen bei denen bei der Brennstoffzellenreaktion Wasser gebildet wird, nur mit Einschränkungen in Frage (WO 00/45447). Inorganic proton conductors are e.g. B. from "Proton Conductors", P. Colomban, Cambridge University Press, 1992 known. For the purposes of a fuel cell, however, proton-conductive zirconium phosphates known from EP 0 838 258 show conductivities which are too low. On the other hand, in the case of defect perovskites, a usable proton conductivity is only achieved at temperatures which are above the operating temperatures of a fuel cell that occur in practice. Known proton-conducting MHSO 4 salts are readily soluble in water and are therefore only of limited use for fuel cell applications in which water is formed in the fuel cell reaction (WO 00/45447).
Bekannte anorganische protonenleitende Materialien lassen sich zudem nicht in Form von dünnen Membranfolien herstellen, die zur Bereitstellung eines geringen Gesamtwiderstands der Zelle erforderlich sind. Geringe Flächenwiderstände und hohe Leistungsdichten einer Brennstoffzelle für technische Anwendungen im Automobilbau sind mit den bekannten Materialien daher nicht möglich. Known inorganic proton-conducting materials can also not be in the form of Produce thin membrane films that provide a low overall resistance Cell are required. Low surface resistances and high power densities Fuel cells for technical applications in automobile construction are made with the known materials therefore not possible.
Die WO 99/62620 schlägt einen ionenleitenden, stoffdurchlässigen Verbundwerkstoff sowie dessen Verwendung als Elektrolytmembran einer MEA in einer Brennstoffzelle vor. Die Elektrolytmembran aus dem Stand der Technik besteht aus einem Metallnetz, das mit einem porösen keramischen Material beschichtet ist auf das ein protonenleitendes Material aufgebracht wurde. Diese Elektrolytmembran hat eine im Hinblick auf eine organische Nafionmembran überlegene Protonenleitfähigkeit bei Temperaturen von mehr als 80°C. Der Stand der Technik enthält aber keine Ausführungsform einer Brennstoffzelle, bei der eine solche Elektrolytmembran verwendet wurde. WO 99/62620 proposes an ion-conducting, permeable composite material as well its use as an electrolyte membrane of an MEA in a fuel cell. The Electrolyte membrane from the prior art consists of a metal network, which with a porous ceramic material is coated on a proton conductive material was applied. This electrolyte membrane has an organic one Nafion membrane superior proton conductivity at temperatures above 80 ° C. The booth However, the technology does not contain an embodiment of a fuel cell in which one Electrolyte membrane was used.
Es wurde nun gefunden, dass die aus der WO 99/62620 bekannte Elektrolytmembran gravierende Nachteile aufweist im Hinblick auf die Brauchbarkeit einer diese Elektrolytmembran enthaltenden MEA in der Praxis und im Hinblick auf das Herstellungsverfahren, das zur Bereitstellung von solchen MEAs erforderlich ist. Durch diese Nachteile ist die aus der WO 99/62620 bekannte MEA für den Einsatz in einer Brennstoffzelle in der Praxis ungeeignet. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die bekannten Elektrolytmembranen zwar bei erhöhten Temperaturen eine gute Protonenleitfähigkeit aufweisen, dass andererseits aber unter praktischen Anwendungsbedingungen in einer Brennstoffzelle Kurzschlüsse auftreten, die die Elektrolytmembranen unbrauchbar machen. Ferner sind die aus der WO 99/62620 bekannten Elektrolytmembranen hinsichtlich der Haftung des Keramikmaterials auf dem Metallträger problematisch, so dass bei langen Standzeiten mit einem Ablösen der Keramikschicht vom Metallnetz gerechnet werden muss. It has now been found that the electrolyte membrane known from WO 99/62620 has serious disadvantages with regard to the usability of these MEA containing electrolyte membrane in practice and in terms of the manufacturing process that is required to provide such MEAs. Due to these disadvantages, the Known WO 99/62620 unsuitable for use in a fuel cell in practice. It has been shown that the known electrolyte membranes do indeed increase Temperatures have good proton conductivity, but on the other hand below practical application conditions occur in a fuel cell short circuits that the Make electrolyte membranes unusable. Furthermore, those known from WO 99/62620 Electrolyte membranes regarding the adhesion of the ceramic material to the metal support problematic, so that with long standing times with a detachment of the ceramic layer from Metal network must be expected.
Vor diesem Hintergrund sind vom Anmelder Membranen entwickelt worden, die keinen Metallträger aufweisen (DE 100 61 920, DE 101 15 927, DE 101 15 928). Diese Materialien sind zwar ausgezeichnete protonenleitende Membranen (im Folgenden cPEM genannt), in der Praxis hat sich aber gezeigt, dass die mit diesen Materialien erzielbare Leitfähigkeit und damit auch Leistungsdichte der Brennstoffzelle nicht ausreichend ist. Ursache hierfür ist, dass die als Basismembran verwendeten Mikrofiltrationsmembranen (MF-Membranen, vgl. WO 99/15262) auf Basis eines stoffdurchlässigen Verbundwerkstoffes als anorganische Komponenten Keramiken aufweisen, die eine zu geringe Porosität von max. 45 Vol.%, typischerweise aber nur 30-35 Vol.-%, und zudem eine im Innern ungleichmäßige Porenstruktur aufweisen. Wie Fig. 1a und 2a zeigen, kann nur der Bereich der MF-Membran mit Elektrolyt gefüllt werden, der frei von Keramik bzw. Glasgewebe ist. Die Fig. 2a beschreibt den realen Fall des eingesetzten Gewebes besser als 1a. Jeder Faden besteht aus mehreren Filamenten. Bei der Infiltration einer solchen Membran ist es nun sehr schwierig möglich, das Sol durch die vergleichsweise kleinporige Keramikschicht zu bekommen, damit auch die großen Zwischenräume zwischen den Glasfilamenten vollständig gefüllt werden. Ein großer Teil an nicht mit Elektrolyt gefülltem Totvolumen ist unvermeidlich. Dieses Problem lässt sich auch durch beidseitige Infiltration nicht beseitigen. Against this background, the applicant has developed membranes which have no metal support (DE 100 61 920, DE 101 15 927, DE 101 15 928). Although these materials are excellent proton-conducting membranes (hereinafter referred to as cPEM), in practice it has been shown that the conductivity that can be achieved with these materials and therefore also the power density of the fuel cell is not sufficient. The reason for this is that the microfiltration membranes used as the base membrane (MF membranes, cf. WO 99/15262), based on a permeable composite material, have ceramics which have an insufficient porosity of max. 45% by volume, but typically only 30-35% by volume, and also have an uneven pore structure on the inside. As FIGS. 1a and 2a show, only the area of the MF membrane that is free of ceramic or glass fabric can be filled with electrolyte. FIGS. 2a describes the real case of the fabric used better than 1a. Each thread consists of several filaments. When infiltrating such a membrane, it is now very difficult to get the sol through the comparatively small-pore ceramic layer, so that the large spaces between the glass filaments are completely filled. A large proportion of dead volume not filled with electrolyte is inevitable. This problem cannot be solved by bilateral infiltration either.
Aufgrund dieser Effekte ist der Füllgrad mit dem Elektrolyt zu niedrig um eine Protonenleitfähigkeit der Membran zu gewährleisten, die einen Einsatz in Brennstoffzellen wirtschaftlich sinnvoll ermöglicht. Due to these effects, the degree of filling with the electrolyte is too low by one Proton conductivity of the membrane to ensure use in fuel cells enables economically sensible.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine protonenleitfähige, flexible
Elektrolytmembran für eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die für einen Einsatz in der Praxis
geeignet ist und insbesondere
- a) eine hohe Protonenleitfähigkeit bei deutlich reduzierter Luftfeuchtigkeit im Vergleich zu Polymermembranen aufweist,
- b) eine höhere Protonenleitfähigkeit als Membranen zeigen, die auf Verbundwerkstoffen basieren, die wiederum poröse Keramiken aufweisen,
- c) einen geringen Gesamtwiderstand einer Membranelektrodeneinheit ermöglicht,
- d) mechanische Eigenschaften, wie Zugfestigkeit und Flexibilität, aufweist, die für einen Einsatz unter extremen Bedingungen, wie sie beim Betrieb eines Fahrzeugs auftreten, geeignet sind,
- e) erhöhte Betriebstemperaturen von mehr als 80°C toleriert,
- f) Kurzschlüsse und cross-over-Probleme vermeidet, und
- g) einfach hergestellt werden kann.
- a) has a high proton conductivity with significantly reduced air humidity compared to polymer membranes,
- b) show a higher proton conductivity than membranes based on composite materials, which in turn have porous ceramics,
- c) enables a low total resistance of a membrane electrode unit,
- d) has mechanical properties, such as tensile strength and flexibility, which are suitable for use under extreme conditions, such as occur during the operation of a vehicle,
- e) tolerated increased operating temperatures of more than 80 ° C,
- f) avoids short circuits and cross-over problems, and
- g) can be easily manufactured.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass Elektrolytmembranen, die die genannten Aufgaben lösen einfach hergestellt werden können, in dem anstelle der verwendeten MF-Membranen direkt Träger aus Glas, wie z. B. Glasgewebe oder -vliese, eingesetzt werden, die mit den Elektrolyten infiltriert werden. Da die Porosität dieser Träger, Gewebe oder Vliese wesentlich höher ist als die der MF-Membran ist auch die erzielbare Leitfähigkeit entsprechend höher. Die Porosität liegt z. T. bei bis zu 70%, typischerweise bei 55-60 Vol.%, ist also etwa doppelt so hoch wie bei den bekannten MF-Membranen. Wichtig dabei ist, dass der Träger nicht einfach in z. B. Mineralsäuren getränkt werden kann, sondern das der Elektrolyt immobilisiert in Form eines Gels oder Glases am Ende im Gewebe vorliegen muss. Surprisingly, it was found that electrolyte membranes perform the above-mentioned tasks can be easily manufactured in which instead of the used MF membranes directly glass supports such. B. glass fabric or nonwovens, used with the Electrolytes are infiltrated. Because the porosity of these supports, fabrics or fleeces is essential the achievable conductivity is correspondingly higher than that of the MF membrane. The Porosity lies e.g. T. up to 70%, typically 55-60 vol.%, Is about twice as much high as with the known MF membranes. It is important that the carrier is not easy in z. B. mineral acids can be soaked, but that the electrolyte immobilized in the form of a gel or glass must end up in the tissue.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist deshalb eine für die Reaktionskomponenten einer Brennstoffzellenreaktion undurchlässige, protonenleitfähige, flexible Elektrolytmembran für eine Brennstoffzelle, umfassend einen flexiblen, durchbrochenen, ein Glas umfassenden Träger, wobei der Träger mit einem protonenleitfähigen Gel durchsetzt ist, das geeignet ist selektiv Protonen durch die Membran zu leiten. The present invention therefore relates to one for the reaction components Fuel cell reaction impermeable, proton conductive, flexible electrolyte membrane for a fuel cell comprising a flexible, openwork, a glass Carrier, the carrier being permeated with a proton conductive gel that is suitable selectively direct protons through the membrane.
Außerdem ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine für die Reaktionskomponenten
einer Brennstoffzellenreaktion undurchlässige, protonenleitfähige, flexible Elektrolytmembran
für eine Brennstoffzelle, welche durch
- a) Infiltration eines flexiblen, durchbrochenen, ein Glas umfassenden Träger mit
- 1. einer Mischung, enthaltend eine immobilisierbare Hydroxysilylalkylsäure von Schwefel oder Phosphor oder einem Salz davon; oder
- 2. einer Mischung, enthaltend eine Brönstedsäure und/oder eine immobilisierbare Hydroxysilylalkylsäure von Schwefel oder Phosphor oder ein Salz davon sowie ein Sol, das eine Vorstufe für Oxide von Aluminium, Silizium, Titan, Zirkonium, und/oder Phosphor als Netzwerkbildner umfasst und
- b) Verfestigung der den Träger infiltrierenden Mischung, um ein den Träger durchsetzendes Gel zu schaffen, das geeignet ist selektiv Protonen durch die Membran zu leiten, erhalten wird.
- a) Infiltration of a flexible, openwork, glass-enclosed carrier with
- 1. a mixture containing an immobilizable hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or a salt thereof; or
- 2. a mixture containing a Bronsted acid and / or an immobilizable hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or a salt thereof and a sol which comprises a precursor for oxides of aluminum, silicon, titanium, zirconium and / or phosphorus as a network former and
- b) Solidification of the mixture infiltrating the carrier in order to create a gel which penetrates the carrier and is suitable for selectively passing protons through the membrane.
Ebenso ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer
erfindungsgemäßen Elektrolytmembran, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das
Verfahren folgende Schritte umfasst:
- a) Infiltration eines flexiblen, durchbrochenen, ein Glas umfassenden Träger mit
- 1. einer Mischung, enthaltend eine immobilisierbare Hydroxysilylalkylsäure von Schwefel oder Phosphor oder einem Salz davon; oder
- 2. einer Mischung, enthaltend eine Brönstedsäure und/oder eine immobilisierbare Hydroxysilylalkylsäure von Schwefel oder Phosphor oder ein Salz davon sowie ein Sol, das eine Vorstufe für Oxide von Aluminium, Silizium, Titan, Zirkonium, und/oder Phosphor als Netzwerkbildner umfasst und
- b) Verfestigung der den Träger infiltrierenden Mischung, um ein den Träger durchsetzendes Gel zu schaffen, das geeignet ist selektiv Protonen durch die Membran zu leiten.
- a) Infiltration of a flexible, openwork, glass-enclosed carrier with
- 1. a mixture containing an immobilizable hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or a salt thereof; or
- 2. a mixture containing a Bronsted acid and / or an immobilizable hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or a salt thereof and a sol which comprises a precursor for oxides of aluminum, silicon, titanium, zirconium and / or phosphorus as a network former and
- b) solidification of the mixture infiltrating the carrier in order to create a gel which penetrates the carrier and is suitable for selectively guiding protons through the membrane.
Gleichzeitig ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine flexible Membranelektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle, mit einer elektrisch leitfähigen Anoden- und Kathodenschicht, die jeweils auf gegenüberliegenden Seiten einer insbesondere erfindungsgemäßen für die Reaktionskomponenten der Brennstoffzellenreaktion undurchlässigen, protonenleitfähigen, flexiblen Elektrolytmembran für eine Brennstoffzelle vorgesehen sind, wobei die Elektrolytmembran einen flexiblen, durchbrochenen, ein Glas umfassenden Träger umfasst, wobei der Träger mit einem protonenleitfähigen Gel durchsetzt ist, das geeignet ist, selektiv Protonen durch die Membran zu leiten, 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. At the same time, the subject of the present invention is a flexible one Membrane electrode unit for a fuel cell, with an electrically conductive anode and Cathode layer, each on opposite sides of a particular one invention for the reaction components of the fuel cell reaction impermeable, proton conductive, flexible electrolyte membrane provided for a fuel cell are, the electrolyte membrane is a flexible, openwork, enclosing a glass Carrier comprises, wherein the carrier is permeated with a proton-conductive gel, the is capable of selectively guiding protons through the membrane, and wherein the anode layer and the cathode layer are porous and each have a catalyst for the anode and Cathode reaction, a proton conductive component and optionally one Include catalyst support.
Außerdem ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer
erfindungsgemäßen Membranelektrodeneinheit, wobei das Verfahren folgende Schritte
umfasst:
- A) Bereitstellung einer insbesondere erfindungsgemäßen für die Reaktionskomponenten der Brennstoffzellenreaktion undurchlässigen, protonenleitfähigen, flexiblen Elektrolytmembran für eine Brennstoffzelle, wobei die Elektrolytmembran einen stoffdurchlässigen, flexiblen, durchbrochenen, ein Glas umfassenden Träger umfasst, wobei der Träger mit einem protonenleitfähigen Gel durchsetzt ist, das geeignet ist selektiv Protonen durch die Membran zu leiten,
- 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 Kathoden-reaktion katalysiert, oder eine Vorstufenverbindung des Katalysators,
- 3. gegebenenfalls einen Träger und
- 4. gegebenenfalls einen Porenbildner,
- C) Aufbringen der Mittel aus Stufe (B) auf jeweils eine Seite der Elektrolytmembran 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.
- A) Provision of a proton-conductive, flexible electrolyte membrane, in particular for the reaction components of the fuel cell reaction, which is impermeable to the fuel cell reaction, for a fuel cell, the electrolyte membrane comprising a permeable, flexible, openwork, glass-containing carrier, the carrier being permeated with a proton-conductive gel which is suitable selectively direct protons through the membrane,
- 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 carrier and
- 4. if necessary, a pore former,
- C) applying the agents from stage (B) to one side of the electrolyte membrane 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.
Ebenso ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Mittel, umfassend:
- 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 und
- 4. gegebenenfalls einen Porenbildner, und
- 5. gegebenenfalls Additive zur Verbesserung von Schaumverhalten, Viskosität und Haftung.
- 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 and
- 4. optionally a pore former, and
- 5. optionally additives to improve foam behavior, viscosity and adhesion.
Gleichzeitig ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Elektrolytmembran in einer Brennstoffzelle oder zur Herstellung einer Membranelektrodeneinheit, einer Brennstoffzelle, oder eines Brennstoffzellenstacks. At the same time, the present invention relates to the use of a electrolyte membrane according to the invention in a fuel cell or for the production of a Membrane electrode unit, a fuel cell, or a fuel cell stack.
Ebenso ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Membranelektrodeneinheit in einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellen mit einer erfindungsgemäßen Elektrolytmembranen oder erfindungsgemäßen Membranelektrodeneinheiten. The present invention also relates to the use of a device according to the invention Membrane electrode unit in a fuel cell and fuel cells with one electrolyte membranes according to the invention or according to the invention Membrane electrode assemblies.
Die erfindungsgemäßen Membranen haben den Vorteil, dass sie eine hohe Protonenleitfähigkeit bei deutlich reduzierter Luftfeuchtigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Polymermembranen aufweisen. Des weiteren weisen erfindungsgemäße Elektrolytmembranen eine höhere Protonenleitfähigkeit auf als Membranen, die auf Verbundwerkstoffen basieren, die poröse Keramiken aufweisen. Außerdem ermöglichen erfindungsgemäße Elektrolytmembranen Membranelektrodeneinheiten herzustellen, die einen geringen Gesamtwiderstand aufweisen, die gute mechanische Eigenschaften, wie Zug- und Druckfestigkeit sowie Flexibilität, aufweisen, die für einen Einsatz unter extremen Bedingungen, wie sie beim Betrieb eines Fahrzeugs auftreten, geeignet sind, erhöhte Betriebstemperaturen von mehr als 80°C tolerieren und Kurzschlüsse und cross-over-Probleme vermeiden. The membranes according to the invention have the advantage that they are high Proton conductivity with significantly reduced air humidity compared to conventional ones Have polymer membranes. Furthermore, electrolyte membranes according to the invention have higher proton conductivity than membranes based on composite materials, which have porous ceramics. In addition, enable according to the invention Electrolyte membranes manufacture membrane electrode assemblies that have a low total resistance have good mechanical properties such as tensile and compressive strength as well Flexibility, which is suitable for use under extreme conditions, such as during operation of a vehicle, are suitable, increased operating temperatures of more than 80 ° C tolerate and avoid short circuits and cross-over problems.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Membranen erhalten, die außerdem den Vorteil haben, dass sie äußerst flexibel sein können und einen Biegeradius von einigen mm oder noch darunter aufweisen können. Dies ist ein weiterer Vorteil im Vergleich zu den cPEMs auf Basis von MF-Membranen, die doch recht spröde sind und aufgrund dieser Tatsache leicht beim Eindichten oder beim Betrieb in der Brennstoffzelle katastrophal versagen können. Die erfindungsgemäßen Membrane auf Basis von Glasgeweben zeigen praktisch die gleiche Elastizität aber auch die gleiche Festigkeit wie das Glasgewebe selbst. With the method according to the invention, membranes are obtained which also have the advantage have that they can be extremely flexible and a bending radius of a few mm or more can have below. This is another advantage compared to the cPEMs based of MF membranes, which are quite brittle and due to this fact easy to Sealing or fail catastrophically when operating in the fuel cell. The Membrane based on glass fabrics according to the invention show practically the same Elasticity but also the same strength as the glass fabric itself.
Die Elektrolytmembran der vorliegenden Erfindung hat darüber hinaus den Vorteil, dass sie nicht in Wasser gequellt werden muss, um eine brauchbare Leitfähigkeit zu erzielen. Es ist daher wesentlich einfacher die Elektroden und die Elektrolytmembran zu einer Membranelektrodeneinheit zu kombinieren. Insbesondere ist es nicht erforderlich eine gequellte Membran mit einer Elektrodenschicht zu versehen, wie dies im Fall einer Nafionmembran notwendig ist, um zu verhindern, dass die Elektrodenschicht beim Quellen einreißt. Auch ist durch die Wahl des speziellen Trägers eine feste Haftung des porösen Keramikmaterials an den Träger möglich. Dadurch kann eine stabile MEA hergestellt werden, die auch hohen mechanischen Belastungen standhalten kann. Durch die gute Stabilität und Leitfähigkeit kann die erfindungsgemäße Elektrolytmembranen in einer Reformat- oder Direktmethanol-Brennstoffzelle eingesetzt werden, die lange Standzeiten sowie hohe Leistungsdichten auch bei geringen Wasserpartialdrucken und hohen Temperaturen aufweisen. The electrolyte membrane of the present invention also has the advantage that it does not need to be swollen in water to achieve a useful conductivity. It is therefore much easier to combine the electrodes and the electrolyte membrane To combine membrane electrode assembly. In particular, there is no need for one to provide the swollen membrane with an electrode layer, as in the case of a Nafion membrane is necessary to prevent the electrode layer from swelling tears. The choice of the special carrier also ensures firm adhesion of the porous one Ceramic material on the carrier possible. This enables a stable MEA to be produced that can withstand high mechanical loads. Due to the good stability and The electrolyte membranes according to the invention can be conductive in a reformate or Direct methanol fuel cells are used, the long service life as well as long Have power densities even at low water partial pressures and high temperatures.
Ferner ist es möglich den Wasserhaushalt der neuen Membranelektrodeneinheiten durch die Anpassung der Hydrophobie/Hydrophilie von Membran und Elektroden zu steuern. Durch gezielte Schaffung von Nanoporen in der Membran lässt sich zusätzlich der Effekt der Kapillarkondensation ausnutzen. Eine Flutung der Elektroden durch Produktwasser bzw. eine Austrocknung der Membran bei höherer Betriebstemperatur bzw. Stromdichte kann so vermieden werden. Durch den Einsatz von Diffusionsbarrieren, also protonenleitfähige Beschichtungen die in Wasser und Methanol nicht löslich sind, lässt sich außerdem das Phänomen des Ausblutens des Elektrolyten verhindern. Die Diffusionsbarrieren selbst sind Gegenstand eines parallel angemeldeten Schutzrechtes. It is also possible to maintain the water balance of the new membrane electrode units through the Control the hydrophobicity / hydrophilicity of the membrane and electrodes. By The targeted creation of nanopores in the membrane can also have the effect of Use capillary condensation. A flooding of the electrodes by product water or Drying out of the membrane at a higher operating temperature or current density can thus be avoided. Through the use of diffusion barriers, i.e. proton conductive Coatings that are not soluble in water and methanol can also do that Prevent the phenomenon of electrolyte bleeding. The diffusion barriers themselves are Subject of a property right applied for in parallel.
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 sense of The present invention understood that 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 is significantly lower than in commercially available Nafion membranes, which are usually also referred to as impermeable become.
Die erfindungsgemäßen Membranen, das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung dieser Membrane sowie die diversen Verwendungsmöglichkeiten bzw. Artikel die diese Membrane aufweisen werden nachfolgend beschrieben, ohne dass die Erfindung auf diese Ausführungsarten beschränkt sein soll. The membranes according to the invention, the method according to the invention for producing them Membrane as well as the various uses or articles that this membrane are described below, without the invention being based on this Types of execution should be limited.
Die erfindungsgemäßen Membranen zeichnen sich dadurch aus, dass sie für die Reaktionskomponenten der Brennstoffzellenreaktion undurchlässige, protonenleitfähige, flexible Elektrolytmembranen für eine Brennstoffzelle sind, die einen flexiblen, durchbrochenen, ein Glas umfassenden Träger, wobei der Träger mit einem protonenleitfähigen Gel durchsetzt ist, das geeignet ist selektiv Protonen durch die Membran zu leiten, umfassen. Das protonenleitende Gel weist eine plastische und/oder elastische Verformbarkeit auf. The membranes according to the invention are characterized in that they are suitable for Reaction components of the fuel cell reaction impermeable, proton conductive, are flexible electrolyte membranes for a fuel cell that have a flexible, openwork carrier comprising a glass, the carrier containing a proton-conductive gel which is capable of selectively guiding protons through the membrane. The proton-conducting gel has a plastic and / or elastic deformability.
Das protonenleitfähige Gel umfasst vorzugsweise
- a) eine immobilisierte Hydroxysilylalkylsäure von Schwefel oder Phosphor sowie gegebenenfalls ein Oxid von Aluminium, Silizium, Titan, Zirkonium und/oder Phosphor als Netzwerkbildner, und/oder
- b) eine Brönstedsäure und ein Oxid von Aluminium, Silizium, Titan, Zirkonium, und/oder Phosphor als Netzwerkbildner.
- a) an immobilized hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus and optionally an oxide of aluminum, silicon, titanium, zirconium and / or phosphorus as a network former, and / or
- b) a Bronsted acid and an oxide of aluminum, silicon, titanium, zirconium, and / or phosphorus as a network former.
Die erfindungsgemäßen für die Reaktionskomponenten der Brennstoffzellenreaktion
undurchlässige, protonenleitfähige, flexible Elektrolytmembranen für eine Brennstoffzelle, sind z. B.
durch
- a) Infiltration eines flexiblen, durchbrochenen, ein Glas umfassenden Träger mit
- 1. einer Mischung, enthaltend eine immobilisierbare Hydroxysilylalkylsäure von Schwefel oder Phosphor oder einem Salz davon; oder
- 2. einer Mischung, enthaltend eine Brönstedsäure und/oder eine immobilisierbare Hydroxysilylalkylsäure von Schwefel oder Phosphor oder ein Salz davon sowie ein Sol, das eine Vorstufe für Oxide von Aluminium, Silizium, Titan, Zirkonium, und/oder Phosphor umfasst und
- b) Verfestigung der den Träger infiltrierenden Mischung, um ein den Träger durchsetzendes Gel zu schaffen, das geeignet ist selektiv Protonen durch die Membran zu leiten, erhältlich.
- a) Infiltration of a flexible, openwork, glass-enclosed carrier with
- 1. a mixture containing an immobilizable hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or a salt thereof; or
- 2. a mixture containing a Bronsted acid and / or an immobilizable hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or a salt thereof and a sol which comprises a precursor for oxides of aluminum, silicon, titanium, zirconium and / or phosphorus and
- b) Solidification of the mixture infiltrating the carrier in order to create a gel which penetrates the carrier and is suitable for selectively passing protons through the membrane.
Die gelartige Struktur wird durch eine Vernetzung der Komponenten sichergestellt, wobei die Vernetzung durch Poly- oder Oligomerisierung, insbesondere der Hydroxysilylalkylsäuren und/oder durch die Verwendung der genannten Oxide als Netzwerkbildner erfolgt. The gel-like structure is ensured by cross-linking the components, the Crosslinking by poly- or oligomerization, especially the hydroxysilylalkyl acids and / or by using the oxides mentioned as network formers.
Das protonenleitende Gel kann ein organisches und/oder ein anorganische Material sein. Das protonenleitende Gel kann nur Material aufweisen, welches protonenleitende Eigenschaften aufweist oder neben dem Material mit protonenleitenden Eigenschaften ein nicht protonenleitendes Material aufweisen, welches z. B. Stützfunktionen haben oder Netzwerke bilden kann. The proton-conducting gel can be an organic and / or an inorganic material. The proton-conducting gel can only have material that has proton-conducting properties has or not in addition to the material with proton-conducting properties have proton-conducting material which, for. B. have support functions or form networks can.
Das protonenleitfähige Gel einer erfindungsgemäßen Elektrolytmembran umfasst vorzugsweise eine Brönstedsäure, eine immobilisierte Hydroxysilylalkylsäure von Schwefel oder Phosphor oder ein Salz davon. Diese Komponenten verleihen der Elektrolytmembran Protonenleitfähigkeit. Gegebenenfalls kann das protonenleitfähige Gel ein Oxid von Aluminium, Silizium, Titan, Zirkonium, und/oder Phosphor als Netzwerkbildner enthalten. Ein solches Oxid ist bei Verwendung einer Brönstedsäure wesentlich. Für den Fall, dass eine immobilisierte Hydroxysilylalkylsäure von Schwefel oder Phosphor oder ein Salz davon vorhanden ist, kann auf das zusätzliche Oxid verzichtet werden, da sich ein SiO2-Netzwerk ausbilden kann, in dem die sauren Gruppen über die drei verbleibenden OH-Gruppen der Hydroxysilylalkylsäure kondensiert sind. Das Netzwerk kann aber auch noch andere netzwerkbildende Oxide wie SiO2, Al2O3, ZrO2, oder TiO2 enthalten. The proton-conductive gel of an electrolyte membrane according to the invention preferably comprises a Bronsted acid, an immobilized hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or a salt thereof. These components impart proton conductivity to the electrolyte membrane. If appropriate, the proton-conductive gel can contain an oxide of aluminum, silicon, titanium, zirconium and / or phosphorus as a network former. Such an oxide is essential when using Bronsted acid. In the event that an immobilized hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or a salt thereof is present, the additional oxide can be dispensed with, since an SiO 2 network can form in which the acidic groups via the three remaining OH groups of the Hydroxysilylalkyl acid are condensed. The network can also contain other network-forming oxides such as SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , or TiO 2 .
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.
Als Hydroxysilylalkylsäure des Schwefels oder Phosphors weist das Gel in der
erfindungsgemäßen Elektrolytmembran vorzugsweise 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)
auf, 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
oder
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.
As the hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus, the gel in the electrolyte membrane according to the invention preferably has 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)
on, 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
or
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.
Besonders bevorzugt weist das Gel in der erfindungsgemäßen Elektrolytmembran als Hydroxysilylalkylsäure des Schwefels oder Phosphors Trihydroxysilylpropylsulfonsäure, Trihydroxysilylpropylmethylphosphonsäure oder Dihydroxysilylpropylsulfondisäure auf. The gel in the electrolyte membrane according to the invention particularly preferably has Hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus trihydroxysilylpropylsulfonic acid, Trihydroxysilylpropylmethylphosphonic acid or dihydroxysilylpropylsulfonedioic acid.
Die Hydroxysilylalkylsäure des Schwefels oder Phosphors ist bevorzugt mit einer hydrolysierten Verbindung des Phosphors oder einem hydrolysierten Nitrat, Oxynitrat, Chlorid, Oxychlorid, Carbonat, Alkoholat, Acetat, Acetylacetonat eines Metalls oder Halbmetalls oder einer hydrolysierten Verbindung, erhalten aus Diethylphosphit (DEP), Diethylethylphosphonat (DEEP), Titanpropylat, Titanethylat, Tetraethylorthosilikat (TEOS) oder Tetramethylorthosilikat (TMOS), Zirkoniumnitrat, Zirkoniumoxynitrat, Zirkoniumpropylat, Zirkoniumacetat, Zirkoniumacetylacetonat, Phosphorsäuremethylester oder mit gefällter Kieselsäure immobilisiert. The hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus is preferred with a hydrolyzed compound of phosphorus or a hydrolyzed nitrate, oxynitrate, chloride, Oxychloride, carbonate, alcoholate, acetate, acetylacetonate of a metal or semimetal or a hydrolyzed compound obtained from 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, methyl phosphorate or with precipitated silica immobilized.
Es kann vorteilhaft sein, wenn das Gel keramische Partikel aus zumindest einem Oxid ausgewählt aus der Reihe Al2O3, SiO2, ZrO2 oder TiO2 aufweist. Der Anteil der keramischen Partikel die keinen Beitrag zur Protonenleitfähigkeit leisten am Gel beträgt dabei vorzugsweise weniger als 50 Volumenprozent, besonders bevorzugt weniger als 30 Volumenprozent und ganz besonders bevorzugt weniger als 10 Volumenprozent. Es kann vorteilhaft sein, wenn die keramischen Partikel eine oder mehrere Partikelgrößenfraktionen mit Partikelgrößen im Bereich von 10 bis 100 nm, von 100 bis 1000 nm und/oder von 1 bis 5 µm aufweisen. Besonders bevorzugt sind hierbei gröbere Partikelfraktionen mit Partikelgrößen von 0,1 bis 5 µm, wie z. B. Al2O3 (AlCoA CT3000) oder ZrO2 (Tosoh TZ3Y), feinere Partikel- bzw. Agglomeratgrößen von 50 nm bis 500 nm, wie z. B. Aerosil 200, Aerosil Ox50 oder Aerosil VP 25 (jeweils Degussa AG), oder sehr feinskalige Partikel, die z. B. direkt als Suspension eingesetzt werden, wie z. B. Levasil200E (Bayer AG). Zwar wird durch den zusätzlichen Anteil an Pulver die Konzentration an Protonen verringert, die Membran lässt sich aber so viel einfacher rissfrei herstellen. It can be advantageous if the gel has ceramic particles of at least one oxide selected from the series Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 or TiO 2 . The proportion of ceramic particles which make no contribution to proton conductivity in the gel is preferably less than 50 percent by volume, particularly preferably less than 30 percent by volume and very particularly preferably less than 10 percent by volume. It can be advantageous if the ceramic particles have one or more particle size fractions with particle sizes in the range from 10 to 100 nm, from 100 to 1000 nm and / or from 1 to 5 μm. Coarser particle fractions with particle sizes of 0.1 to 5 μm, such as B. Al 2 O 3 (AlCoA CT3000) or ZrO 2 (Tosoh TZ3Y), finer particle or agglomerate sizes from 50 nm to 500 nm, such as. B. Aerosil 200, Aerosil Ox50 or Aerosil VP 25 (each Degussa AG), or very fine-scaled particles, the z. B. be used directly as a suspension, such as. B. Levasil200E (Bayer AG). The concentration of protons is reduced by the additional proportion of powder, but the membrane is so much easier to manufacture without cracks.
Im Gegensatz zu den protonenleitend ausgerüsteten Mikrofiltrationsmembranen weisen die erfindungsgemäßen Membranen einen deutlich höheren Anteil an Material mit protonenleitenden Eigenschaften auf, da ganz oder zumindest teilweise auf den keramischen Werkstoffanteil verzichtet wird. Dies ist in Fig. 1 und 2 schematisch dargestellt. In der realitätsnahen Fig. 2b ist deutlich zu erkennen, dass es problemlos möglich ist, Glasgewebe auch mit partikelhaltigen Solen vollständig, d. h. ohne Totvolumina wie bei der Infiltration von MF-Membranen (s. Fig. 2a), zu infiltrieren. In contrast to the proton-conducting microfiltration membranes, the membranes according to the invention have a significantly higher proportion of material with proton-conducting properties, since the ceramic material proportion is completely or at least partially dispensed with. This is shown schematically in FIGS. 1 and 2. In the realistic Fig. 2b can be clearly seen that it is easily possible, glass fabric completely with particle-containing sols, that is to infiltrate without dead volumes, as in the infiltration of MF membranes (see. Fig. 2a).
Es kann vorteilhaft sein, wenn das Gel weitere protonenleitende Stoffe aufweist. Bevorzugte protonenleitende Stoffe sind z. B. ausgewählt aus den Titanphosphaten, Titanphosphonaten, Titansulfoarylphosphonaten, Zirkoniumphosphaten, Zirkoniumphosphonaten, Zirkoniumsulfoarylphosphonaten, Iso- und Heteropolysäuren, vorzugsweise Wolframphosphorsäure oder Siliziumwolframsäure, oder nanokristallinen Metalloxiden, wobei Al2O3-, ZrO2-, TiO2- oder SiO2-Pulver bevorzugt sind. Auch diese können wieder (falls erforderlich) in Kombination mit den genannten Netzwerkbildnern das protonenleitende Gel bilden. Im Falle der Phosphate oder Phosphonate sind die Zr-O-P- bzw. Ti-O-P-Gruppen über ein ZrO2- bzw. TiO2-Netzwerk immobilisiert. It may be advantageous if the gel has other proton-conducting substances. Preferred proton-conducting substances are e.g. For example, selected from the titanium phosphates, Titanphosphonaten, Titansulfoarylphosphonaten, zirconium phosphates, Zirkoniumphosphonaten, Zirkoniumsulfoarylphosphonaten, 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. These can again (if necessary) form the proton-conducting gel in combination with the network formers mentioned. In the case of the phosphates or phosphonates, the Zr-OP or Ti-OP groups are immobilized via a ZrO 2 or TiO 2 network.
Die erfindungsgemäße Elektrolytmembran weist vorzugsweise ein Volumenverhältnis von Gel zu Träger von zumindest 30 zu 70 auf. Bevorzugt beträgt das Volumenverhältnis von Gel zu Träger von 35 zu 65 bis 90 zu 10, besonders bevorzugt von 40 zu 60 bis 80 zu 20 und ganz besonders bevorzugt von 50 zu 50 bis 70 zu 30. The electrolyte membrane according to the invention preferably has a volume ratio of gel to wearers of at least 30 to 70. The volume ratio of gel to is preferably Carriers from 35 to 65 to 90 to 10, particularly preferably from 40 to 60 to 80 to 20 and whole particularly preferably from 50 to 50 to 70 to 30.
Der Glas umfassende Träger weist vorzugsweise Glas, insbesondere ECR-, S- oder (mit Einschränkung) auch E-Glas auf. Zusätzlich zum Glas kann der Träger noch weitere Komponenten aufweisen. Insbesondere kann der Glasträger als Komponenten oxidische Beschichtungen, wie z. B. Al2O3, SiO2, TiO2 oder ZrO2-Beschichtungen des Glases aufweisen. 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. Um einen guten Schutz des Glasgewebes zu erzielen, müssen sehr dichte Oxidfilme ausgebildet werden. Dies lässt sich durch Verwendung partikelfreier, polymerer Sole auf Basis der entsprechenden hydrolisierbaren Verbindungen des Al, Zr, Ti oder Si realisieren. Diese dünnen Keramikfilme schützen die einzelnen Filamente. The carrier comprising glass preferably has glass, in particular ECR, S or (with restriction) also E glass. In addition to the glass, the carrier can also have other components. In particular, the glass substrate as components oxidic coatings, such as. B. Al 2 O 3 , SiO 2 , TiO 2 or ZrO 2 coatings of the glass. 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, preferably less than 10 to 90 and very particularly preferably less than 5 to 95. In order to achieve good protection of the glass fabric, very dense oxide films must be formed. This can be achieved by using particle-free, polymeric brine based on the corresponding hydrolyzable compounds of Al, Zr, Ti or Si. These thin ceramic films protect the individual filaments.
Das Glas des Trägers ist vorzugsweise ein Alumosilikatglas, ein Silikatglas oder ein Borsilikatglas, die jeweils noch weitere Elemente enthalten können. Als weiteres Element ist Magnesium besonders bevorzugt. Der Gehalt an Alkalimetallen sollte möglichst niedrig sein, um die Stabilität des Glases unter den Betriebsbedingungen nicht zu gefährden. The glass of the carrier is preferably an aluminosilicate glass, a silicate glass or a Borosilicate glass, each of which may contain other elements. Another element is Magnesium particularly preferred. The alkali metal content should be as low as possible, in order not to endanger the stability of the glass under the operating conditions.
Ein Alumosilikatglas ist besonders bevorzugt. Vorzugsweise enthält das Glas mindestens 50 Gew.-% SiO2 und gegebenenfalls mindestens 5 Gew.-% Al2O3, vorzugsweise mindestens 60 Gew.-% SiO2 und gegebenenfalls mindestens 10 Gew.-% Al2O3. Für den Fall, dass das Glas weniger als 60 Gew.-% SiO2 enthält, ist es wahrscheinlich, dass die chemische Widerstandsfähigkeit des Glases zu gering ist und der Träger unter den Betriebsbedingungen zerstört wird. Für den Fall, dass weniger als 10 Gew.-% Al2O3 in dem Glas vorliegen, kann es sein, dass der Erweichungspunkt des Glases zu niedrig ist und daher die technische Herstellung der erfindungsgemäßen Membranen sehr schwierig wird. An aluminosilicate glass is particularly preferred. The glass preferably contains at least 50% by weight of SiO 2 and optionally at least 5% by weight of Al 2 O 3 , preferably at least 60% by weight of SiO 2 and optionally at least 10% by weight of Al 2 O 3 . In the event that the glass contains less than 60% by weight of SiO 2 , the chemical resistance of the glass is likely to be too low and the carrier will be destroyed under the operating conditions. In the event that less than 10% by weight of Al 2 O 3 is present in the glass, the softening point of the glass may be too low and the industrial manufacture of the membranes according to the invention may therefore become very difficult.
Weitere Elemente, die in einem Alumosilikatglas, Silikatglas oder Borsilikatglas vorliegen können, sind Alkalimetalle, wie Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, oder Cäsium, Erdalkalimetalle, wie Magnesium, Calcium, Strontium oder Barium sowie Blei, Zink, Titan, Arsen, Antimon, Zirkonium, Eisen, Lanthan, Cer, Cadmium, oder Halogene, wie Fluor oder Chlor. Other elements that are present in an aluminosilicate glass, silicate glass or borosilicate glass are alkali metals, such as lithium, sodium, potassium, rubidium, or cesium, Alkaline earth metals, such as magnesium, calcium, strontium or barium as well as lead, zinc, titanium, Arsenic, antimony, zirconium, iron, lanthanum, cerium, cadmium, or halogens, such as fluorine or Chlorine.
Eine bevorzugte Glaszusammensetzung für einen Träger ist wie folgt:
von 64 bis 66 Gew.-% SiO2,
von 24 bis 25 Gew.-% Al2O3,
von 9 bis 12 Gew.-% MgO und
kleiner 0,2 Gew.-% CaO, Na2O, K2O und/oder Fe2O3.
A preferred glass composition for a support is as follows:
from 64 to 66% by weight SiO 2 ,
from 24 to 25% by weight of Al 2 O 3 ,
from 9 to 12% by weight of MgO and
less than 0.2% by weight of CaO, Na 2 O, K 2 O and / or Fe 2 O 3 .
Der Träger muss sowohl im Laufe der Herstellung der Elektrolytmembran als auch unter den Betriebsbedingungen in einer Brennstoffzelle stabil sein. Daher ist das Glas für den Träger vorzugsweise stabil gegenüber Protonen, die durch die Membran geleitet werden und gegenüber dem protonenleitenden Material (Gel) mit dem die Membran durchsetzt ist. Besonders bevorzugt ist es daher, wenn das Glas keine durch Säure auslaugbaren Kationen enthält. Andererseits können auslaugbare Kationen im Glas vorliegen, wenn die Stabilität des Trägers nicht leidet, wenn Kationen durch Protonen ersetzt werden, so zum Beispiel, wenn das Glas geeignet ist eine Gelschicht auf der Oberfläche zu bilden, die den Glasträger vor einem weiteren Angriff der Säure schützt. The carrier must be used both in the course of the production of the electrolyte membrane and under the Operating conditions in a fuel cell must be stable. Therefore, the glass is for the wearer preferably stable to protons which are passed through the membrane and compared to the proton-conducting material (gel) with which the membrane is penetrated. It is therefore particularly preferred if the glass does not contain any acid-leachable cations contains. On the other hand, leachable cations can be present in the glass if the stability of the Carrier does not suffer if cations are replaced by protons, for example if that Glass is suitable to form a gel layer on the surface, which protects the glass support from one protects further attack of acid.
Es ist auch möglich, dass ein Glas, Quarz oder Quarzglas verwendet wird, dass eine Stabilität
unter Betriebsbedingungen aufweist, die für den praktischen Einsatz nicht ausreichend ist
(insbesondere eine zu geringe Säurestabilität). In diesem Fall kann die Oberfläche des Trägers
beschichtet werden mit einem Material, das dem Träger die notwendige Stabilität verleiht. Eine
säureresistente Beschichtung aus z. B. SiO2, α-Al2O3, ZrO2 oder TiO2 kann beispielsweise nach
einem Sol-Gel-Verfahren bereitgestellt werden. Als Material steht dann auch ein Glasgewebe
(Erweichungspunkt: > 800°C) mit folgender chemischer Zusammensetzung zur Verfügung:
von 52 bis 56 Gew.-% SiO2,
von 12 bis 16 Gew.-% Al2O3,
von 5 bis 10 Gew.-% B2O3,
von 16 bis 25 Gew.-% CaO,
von 0 bis 5 Gew.-% MgO,
kleiner 2 Gew.-% Na2O + K2O,
kleiner 1,5 Gew.-% TiO2 und
kleiner 1 Gew.-% Fe2O3.
It is also possible to use a glass, quartz or quartz glass which has a stability under operating conditions which is not sufficient for practical use (in particular an insufficient acid stability). In this case, the surface of the carrier can be coated with a material that gives the carrier the necessary stability. An acid-resistant coating made of e.g. B. SiO 2 , α-Al 2 O 3 , ZrO 2 or TiO 2 can be provided for example by a sol-gel process. A glass fabric (softening point:> 800 ° C) with the following chemical composition is then also available as material:
from 52 to 56% by weight of SiO 2 ,
from 12 to 16% by weight of Al 2 O 3 ,
from 5 to 10% by weight of B 2 O 3 ,
from 16 to 25% by weight CaO,
from 0 to 5% by weight of MgO,
less than 2% by weight Na 2 O + K 2 O,
less than 1.5% by weight of TiO 2 and
less than 1% by weight of Fe 2 O 3 .
Das Glas, aus dem der Träger hergestellt wird, hat vorzugsweise einen Erweichungspunkt von größer 700°C, besonders bevorzugt größer 800 und ganz besonders bevorzugt größer 1000°C. Bevorzugte Träger weisen Gläser auf, deren Gewichtsverlust in 10%-iger HCl nach 24 h vorzugsweise kleiner 4 Gew.-% und nach 168 h kleiner 5,5 Gew.-% beträgt. The glass from which the support is made preferably has a softening point of greater than 700 ° C, particularly preferably greater than 800 and very particularly preferably greater than 1000 ° C. Preferred carriers have glasses whose weight loss in 10% HCl after 24 h is preferably less than 4% by weight and after 168 h less than 5.5% by weight.
Der flexible, durchbrochene, ein Glas umfassende Träger kann ferner Komponenten umfassen, die ausgewählt sind aus Keramiken, Mineralien, amorphen nichtleitenden Substanzen, Naturprodukten, oder aus zumindest einer Kombination dieser Materialien, vorausgesetzt, dass diese Materialien die Brauchbarkeit der erfindungsgemäßen Elektrolytmembran unter den Betriebsbedingungen in einer Brennstoffzelle nicht beeinträchtigen und mit den oben gemachten Einschränkungen bezüglich der Gewichtsanteile dieser Komponenten am Träger. Der Träger umfasst vorzugsweise ein Gewebe oder Vlies. Der Träger umfasst vorzugsweise Fasern und/oder Filamente mit einem Durchmesser von 1 bis 150 µm, vorzugsweise 1 bis 20 µm, und/oder Fäden mit einem Durchmesser von 5 bis 150 µm, vorzugsweise 20 bis 70 µm. The flexible, perforated support comprising a glass can further comprise components which are selected from ceramics, minerals, amorphous non-conductive substances, Natural products, or at least a combination of these materials, provided that these materials the usefulness of the electrolyte membrane according to the invention among the Operating conditions in a fuel cell and do not interfere with the above made restrictions on the weight proportions of these components on the carrier. The carrier preferably comprises a woven or non-woven fabric. The carrier preferably comprises Fibers and / or filaments with a diameter of 1 to 150 microns, preferably 1 to 20 microns, and / or threads with a diameter of 5 to 150 microns, preferably 20 to 70 microns.
Für den Fall, dass der Träger ein Gewebe ist, dann handelt es sich dabei vorzugsweise um ein Gewebe aus 11-Tex-Garnen mit 5-50 Kett- bzw. Schussfäden und insbesondere 20-28 Kett- und 28-36 Schussfäden. Ganz besonders bevorzugt werden 5,5-Tex Garne mit 10-50 Kett- bzw. Schussfäden und bevorzugt 20-28 Kett- und 28-36 Schussfäden. In the event that the carrier is a fabric, then it is preferably a Fabric made of 11-Tex yarns with 5-50 warp or weft threads and especially 20-28 Warp and 28-36 wefts. 5.5 Tex yarns with 10-50 are very particularly preferred Warp or weft threads and preferably 20-28 warp and 28-36 weft threads.
Die erfindungsgemäße Elektrolytmembran ist vorzugsweise bei mindestens 80°C, vorzugsweise bei mindestens 100°C, und ganz besonders bevorzugt bei mindestens 120°C, stabil. The electrolyte membrane according to the invention is preferably at least 80 ° C. preferably at least 100 ° C, and very particularly preferably at least 120 ° C, stable.
Die Elektrolytmembran hat vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 10 bis 150 µm, vorzugsweise 10 bis 80 µm, ganz besonders bevorzugt 10 bis 50 µm. Die erfindungsgemäße Elektrolytmembran toleriert vorzugsweise einen Biegeradius von bis herab zu 5000 mm, vorzugsweise 100 mm, insbesondere von bis herab zu 50 mm, vorzugsweise 20 mm und ganz besonders bevorzugt von bis herab zu 5 mm. The electrolyte membrane preferably has a thickness in the range from 10 to 150 μm, preferably 10 to 80 μm, very particularly preferably 10 to 50 μm. The invention Electrolyte membrane preferably tolerates a bending radius of down to 5000 mm, preferably 100 mm, in particular from down to 50 mm, preferably 20 mm and entirely particularly preferably from down to 5 mm.
Die erfindungsgemäße Elektrolytmembran weist bei Raumtemperatur und bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von maximal 40% vorzugsweise eine Leitfähigkeit von mindestens 5 mS/cm, vorzugsweise mindestens 20 mS/cm, ganz besonders bevorzugt mindestens 50 mS/cm auf. The electrolyte membrane according to the invention exhibits at room temperature and at a relative Air humidity of at most 40%, preferably a conductivity of at least 5 mS / cm, preferably at least 20 mS / cm, very particularly preferably at least 50 mS / cm.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die erfindungsgemäße Membran an den Seitenflächen eine zusätzliche Beschichtung aufweist, die als Diffusionsbarriere dient und ein Auslaugen eines Elektrolyten aus der Elektrolytmembran verhindert. Diese Beschichtung weist ein wasser- und methanolunlösliches protonenleitendes Material auf. Als Material für die Diffusionsbarriere können die erfindungsgemäßen Membranen insbesondere die aus der Fachliteratur bekannten polymeren Protonenleiter wie z. B. Nafion®, sulfonierten oder phosphonierten Polyphenylsulfonen, Polyimiden, Polyoxazolen, Polytriazolen Polybenzimidazolen, Polyetheretherketonen (PEEK), Polyetherketonen (PEK), etc. oder anorganische Protonenleiter, wie z. B. immobilisierte Sulfon- oder Phosphonsäure (z. B. Hydroxysilylalkylsäuren), Zirkonium- oder Titanphosphate oder -phosphonate, aufweisen. Diese anorganischen Protonenleiter können noch weitere Oxide, z. B. von Al, Zr, Ti oder Si, als Netzwerkbildner enthalten. Die organischen protonenleitenden Polymere können sowohl als reine Materialien aufgebracht werden aber auch in Form von anorganisch-organischen Compositmaterialien. Solche Compositmaterialien können z. B. verfestigte Lösungen von Nafion mit gefällter Kieselsäure (Levasil®), Tetraethoxysilan (Dynasilan A®, TEOS) oder mit Solen auf Basis von Al2O3, SiO2, TiO2 oder ZrO2 sein. Auch die Kombination von organischen Protonenleitern mit immobilisierten anorganischen Sulfon- und Phosphonsäuren ist möglich. Die Verwendung von Compositmaterialien hat den Vorteil, dass die Haftfestigkeit der Schutzschicht an der Membran besser ist als bei dem reinen (hydrophoben) protonenleitenden Polymeren. It can be advantageous if the membrane according to the invention has an additional coating on the side surfaces which serves as a diffusion barrier and prevents leaching of an electrolyte from the electrolyte membrane. This coating has a water- and methanol-insoluble proton-conducting material. As a material for the diffusion barrier, the membranes according to the invention can in particular be the polymeric proton conductors known from the specialist literature, such as B. Nafion®, sulfonated or phosphonated polyphenyl sulfones, polyimides, polyoxazoles, polytriazoles, polybenzimidazoles, polyether ether ketones (PEEK), polyether ketones (PEK), etc. or inorganic proton conductors, such as, for. B. immobilized sulfonic or phosphonic acid (z. B. hydroxysilylalkyl acids), zirconium or titanium phosphates or phosphonates. These inorganic proton conductors can also contain other oxides, e.g. B. of Al, Zr, Ti or Si, included as a network former. The organic proton-conducting polymers can be applied either as pure materials or in the form of inorganic-organic composite materials. Such composite materials can e.g. B. Solidified solutions from Nafion with precipitated silica (Levasil®), tetraethoxysilane (Dynasilan A®, TEOS) or with sols based on Al 2 O 3 , SiO 2 , TiO 2 or ZrO 2 . The combination of organic proton conductors with immobilized inorganic sulfonic and phosphonic acids is also possible. The use of composite materials has the advantage that the adhesive strength of the protective layer on the membrane is better than that of the pure (hydrophobic) proton-conducting polymer.
Aus der Palette der insbesondere polymeren Protonenleiter können aber auch alle Materialien eingesetzt werden, die nicht oder nur sehr schlecht dichte, dünne Filme bilden und die somit als freitragende Membranen ausscheiden. All materials can also be used in the range of polymeric proton conductors, in particular are used, which do not form or only very poorly dense, thin films and thus as Eliminate self-supporting membranes.
Durch das Vorhandensein einer Diffusionsbarriere kann ein Ausbluten der Membran verhindert und die mechanische Stabilität verbessert werden. Daraus resultiert eine höhere Langzeitleistung gegenüber Membranen, die ein Ausbluten des Elektrolyten zeigen. The presence of a diffusion barrier can prevent the membrane from bleeding out and the mechanical stability can be improved. This results in a higher one Long-term performance compared to membranes that show electrolyte bleeding.
Zur Vermeidung von Leistungsverlusten, die auftreten können, weil die Diffusionsbarriere eine geringere Protonenleitfähigkeit aufweist als die erfindungsgemäße Membran ohne Diffusionsbarriere ist die Diffusionsbarriere möglichst dünn ausgeführt. Vorzugsweise weist die Diffusionsbarriere eine Dicke von kleiner 5 µm, bevorzugt von 10 bis 1000 nm und ganz besonders bevorzugt von 100 bis 500 nm auf. Durch die sehr dünne Ausführung der Diffusionsbarriere, beeinflusst die geringere Leitfähigkeit der Diffusionsbarriere nur unwesentlich die Protonenleitfähigkeit der eigentlichen Membran. To avoid performance losses that can occur because of the diffusion barrier has lower proton conductivity than the membrane according to the invention without Diffusion barrier, the diffusion barrier is made as thin as possible. Preferably points the diffusion barrier has a thickness of less than 5 μm, preferably from 10 to 1000 nm and entirely particularly preferably from 100 to 500 nm. Due to the very thin design of the Diffusion barrier, only affects the lower conductivity of the diffusion barrier the proton conductivity of the actual membrane is insignificant.
Im Folgenden wird die Herstellung der erfindungsgemäßen Elektrolytmembranen beschrieben. The production of the electrolyte membranes according to the invention is described below.
Eine Elektrolytmembran der vorliegenden Erfindung ist z. B. erhältlich durch das
erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Elektrolytmembran, welches ausgehend von
dem stoffdurchlässigen Träger insbesondere folgende Schritte umfasst:
- a) Infiltration eines stoffdurchlässigen, flexiblen, durchbrochenen, ein Glas umfassenden
Trägers mit
- 1. einer Mischung, enthaltend eine immobilisierbare Hydroxysilylalkylsäure von Schwefel oder Phosphor oder einem Salz davon; oder
- 2. einer Mischung, enthaltend eine Brönstedsäure und/oder eine immobilisierbare Hydroxysilylalkylsäure von Schwefel oder Phosphor oder ein Salz davon sowie ein Sol, das eine Vorstufe für Oxide von Aluminium, Silizium, Titan, Zirkonium, und/oder Phosphor als Netzwerkbildner umfasst, und
- b) Verfestigung der in den Träger infiltrierten Mischung, um ein den Träger durchsetzendes Gel zu schaffen, das geeignet ist selektiv Protonen durch die Membran zu leiten.
- a) Infiltration of a permeable, flexible, openwork, a glass-containing carrier with
- 1. a mixture containing an immobilizable hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or a salt thereof; or
- 2. a mixture containing a Bronsted acid and / or an immobilizable hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or a salt thereof and a sol which comprises a precursor for oxides of aluminum, silicon, titanium, zirconium and / or phosphorus as a network former, and
- b) Solidification of the mixture infiltrated in the carrier in order to create a gel which penetrates the carrier and is suitable for selectively guiding protons through the membrane.
Die Gelbildung ist dabei auf Kondensations- und/oder Polymerisations- oder Oligomerisationsreaktionen, die bei der Verfestigung ablaufen, zurückzuführen, wobei insbesondere freie OH- Gruppen miteinander kondensieren. Die Struktur des Gels hängt ab vom Kondensationsgrad, welcher über die Temperatur und die Dauer der Wärmebehandlung gesteuert werden kann. The gel formation is due to condensation and / or polymerization or Oligomerization reactions that take place during the solidification, in particular free OH- Condense groups together. The structure of the gel depends on the degree of condensation, which can be controlled via the temperature and the duration of the heat treatment.
Als in der Mischung vorhandene Brönstedsäure kann z. B. Schwefelsäure, Phosphorsäure, Perchlorsäure, Salpetersäure, Chlorwasserstoffsäure, schweflige Säure, phosphorige Säure sowie Ester davon und/oder eine monomere oder polymere organische Säure eingesetzt werden. Bevorzugte organische Säuren sind immobilisierbare Sulfon- und/oder Phosphonsäuren. Als zusätzliche Netzwerkbildner können die Oxide von Al, Zr, Ti und Si eingesetzt werden. As available in the mixture Bronsted acid z. B. sulfuric acid, phosphoric acid, Perchloric acid, nitric acid, hydrochloric acid, sulfurous acid, phosphorous acid as well Esters thereof and / or a monomeric or polymeric organic acid can be used. Preferred organic acids are immobilizable sulfonic and / or phosphonic acids. As the oxides of Al, Zr, Ti and Si can be used as additional network formers.
Als in der Mischung vorhandene Hydroxysilylalkylsäure des Schwefels oder Phosphors werden
vorzugsweise 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)
eingesetzt, 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.
Organosilicon compounds of the general formulas are preferably used as the hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus in the mixture
[{(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)
used, 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.
Besonders bevorzugt werden als Hydroxysilylalkylsäure des Schwefels oder Phosphors Trihydroxysilylpropylsulfonsäure, Trihydroxysilylpropylmethylphosphonsäure oder Dihydroxysilylpropylsulfondisäure in der Mischung eingesetzt. Particularly preferred are hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus Trihydroxysilylpropylsulfonic acid, trihydroxysilylpropylmethylphosphonic acid or Dihydroxysilylpropylsulfondisäure used in the mixture.
Die Hydroxysilylalkylsäure des Schwefels oder Phosphors wird bevorzugt mit einer hydrolysierten Verbindung des Phosphors oder einem hydrolysierten Nitrat, Oxynitrat, Chlorid, Oxychlorid, Carbonat, Alkoholat, Acetat, Acetylacetonat eines Metalls oder Halbmetalls oder einer hydrolysierten Verbindung, erhalten aus Diethylphosphit (DEP), Diethylethylphosphonat (DEEP), Titanpropylat, Titanethylat, Tetraethylorthosilikat (TEOS) oder Tetramethylorthosilikat (TMOS), Zirkoniumnitrat, Zirkoniumoxynitrat, Zirkoniumpropylat, Zirkoniumacetat, Zirkoniumacetylacetonat, Phosphorsäuremethyl-ester oder mit gefällter Kieselsäure immobilisiert. The hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus is preferred with a hydrolyzed compound of phosphorus or a hydrolyzed nitrate, oxynitrate, chloride, Oxychloride, carbonate, alcoholate, acetate, acetylacetonate of a metal or semimetal or a hydrolyzed compound obtained from 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 with precipitated silica immobilized.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Mischung weitere protonenleitende Stoffe, ausgewählt aus der Gruppe der Iso- oder Heteropolysäuren, wie beispielsweise Wolframphosphorsäure oder Siliziumwolframsäure, Zeolithe, Mordenite, Alumosilikate, β-Aluminiumoxide, Zirkonium-, Titan-, oder Cerphosphate, -phosphonate oder -sulfoarylphosphonate, Antimonsäuren, Phosphoroxide, Schwefelsäure, Perchlorsäure oder deren Salze und/oder kristalline Metalloxide, wobei Al2O3-, ZrO2-, TiO2- oder SiO2-Pulver bevorzugt sind, aufweist. It can be advantageous if the mixture contains further proton-conducting substances selected from the group of iso- or heteropolyacids, such as, for example, tungsten phosphoric acid or silicon tungstic acid, zeolites, mordenites, aluminosilicates, β-aluminum oxides, zirconium, titanium or cerium phosphates or phosphonates sulfoarylphosphonates, antimonic acids, phosphorus oxides, sulfuric acid, perchloric acid or their salts and / or crystalline metal oxides, preference being given to Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 or SiO 2 powders.
Die Mischung, enthaltend ein Sol, mit dem der Träger infiltriert wird, ist erhältlich durch Hydrolyse einer hydrolysierbaren Verbindung, vorzugsweise in einer Mischung aus Wasser und Alkohol, zu einem Hydrolysat, wobei die hydrolysierbare Verbindung ausgewählt ist aus hydrolysierbaren Alkoholaten, Acetaten, Acetylacetonaten, Nitraten, Oxynitraten, Chloriden, Oxychloriden, Carbonaten, von Aluminium, Silizium, Titan, Zirkonium, und/oder Phosphor oder Estern, vorzugsweise Methylestern, Ethylestern und/oder Propylestern der Phosphorsäure oder der phosphorigen Säure, und Peptisierung des Hydrolysats zu der ein Sol enthaltenden Mischung. The mixture containing a sol with which the carrier is infiltrated is obtainable from Hydrolysis of a hydrolyzable compound, preferably in a mixture of water and Alcohol, to a hydrolyzate, the hydrolyzable compound being selected from hydrolyzable alcoholates, acetates, acetylacetonates, nitrates, oxynitrates, chlorides, Oxychlorides, carbonates, of aluminum, silicon, titanium, zirconium, and / or phosphorus or esters, preferably methyl esters, ethyl esters and / or propyl esters of phosphoric acid or the phosphorous acid, and peptizing the hydrolyzate to that containing a sol Mixture.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die hydrolysierbare Verbindung nicht hydrolysierbare Gruppen neben hydrolysierbaren Gruppen trägt. Vorzugsweise wird als eine solche zu hydrolysierende Verbindung eine Alkyltrialkoxy- oder Dialkyldialkoxy- oder Trialkylalkoxyverbindung des Siliziums verwendet. It may be advantageous if the hydrolyzable compound is non-hydrolyzable groups in addition to hydrolyzable groups. It is preferred to be hydrolyzed as such Compound an alkyltrialkoxy or dialkyl dialkoxy or trialkylalkoxy compound of Silicon used.
Der Mischung kann als Hydrolyse- und Kondensationskatalysator eine in Wasser und/oder Alkohol lösliche Säure oder Base zugegeben werden. Vorzugsweise wird eine Mineralsäure, wie z. B. H2SO4, H3PO4, HNO3 oder HCl zugegeben. An acid or base which is soluble in water and / or alcohol can be added to the mixture as the hydrolysis and condensation catalyst. Preferably a mineral acid, such as. B. H 2 SO 4 , H 3 PO 4 , HNO 3 or HCl are added.
Es kann weiterhin vorteilhaft sein, wenn die Mischung zur Infiltration des Trägers neben einem Trialkoxysilan als Netzwerkbildner auch saure oder basische Verbindungen und Wasser umfaßt. Vorzugsweise umfassen die sauren oder basischen Verbindungen zumindest eine dem Fachmann bekannte Brönstedt- oder Lewissäure oder -base. It can furthermore be advantageous if the mixture for infiltrating the carrier next to one Trialkoxysilane as a network former also acidic or basic compounds and water includes. The acidic or basic compounds preferably comprise at least one of the Brönstedt or Lewis acid or base known to those skilled in the art.
Aus EP 0 771 589, EP 0 765 897 und EP 0 582 879 sind Trihydroxysilylsäuren bekannt. In diesen Veröffentlichungen wurde die Herstellung geformter Säurekatalysatoren auf der Basis von Trihydroxysilylpropylsulfonsäure und Trihydroxysilylpropylmercaptan beschrieben. Trihydroxysilyl acids are known from EP 0 771 589, EP 0 765 897 and EP 0 582 879. In These publications have made the manufacture of molded acid catalysts based described by trihydroxysilylpropylsulfonic acid and trihydroxysilylpropyl mercaptan.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die Sole bzw. Mischungen auch keramische Partikel. Besonders bevorzugt sind hierbei die Oxide der Elemente Si, Al, Zr, Ti. Diese können in mehreren Partikelgrößenfraktionen vorliegen. Es kann vorteilhaft sein, wenn die keramischen Partikel eine oder mehrere Partikelgrößenfraktionen mit Partikelgrößen im Bereich von 10 bis 100 nm, von 100 bis 1000 nm und/oder von 1 bis 5 µm aufweisen. Bevorzugt sind hierbei gröbere Partikelfraktionen mit Partikelgrößen von 0,1-5 µm, wie z. B. Al2O3 (AlCoA CT3000) oder ZrO2 (Tosoh TZ3Y), feinere Partikel- bzw. Agglomeratgrößen von 50 nm - 500 nm, wie z. B. Aerosil200, AerosilOx50 oder Aerosil VP 25, oder sehr feinskalige Partikel, die z. B. direkt als Suspension eingesetzt werden, wie z. B. Levasil200E. In a preferred embodiment, the brine or mixtures also contain ceramic particles. The oxides of the elements Si, Al, Zr, Ti are particularly preferred here. These can be present in several particle size fractions. It can be advantageous if the ceramic particles have one or more particle size fractions with particle sizes in the range from 10 to 100 nm, from 100 to 1000 nm and / or from 1 to 5 μm. Coarse particle fractions with particle sizes of 0.1-5 μm, such as B. Al 2 O 3 (AlCoA CT3000) or ZrO 2 (Tosoh TZ3Y), finer particle or agglomerate sizes of 50 nm - 500 nm, such as. B. Aerosil200, AerosilOx50 or Aerosil VP 25, or very fine-scale particles, which, for. B. be used directly as a suspension, such as. B. Levasil200E.
Die Mischungen werden bevorzugt durch geeignete Maßnahmen, wie z. B. durch längeres Rühren mit einem Magnetrührer oder Wellenrührer, mittels Ultraturrax oder Attritormühle oder mittels Ultraschall homogenisiert, bevor die eigentliche Infiltration vorgenommen wird. The mixtures are preferred by suitable measures, such as. B. by longer Stirring with a magnetic stirrer or wave stirrer, using an Ultraturrax or attritor mill or homogenized using ultrasound before the actual infiltration is carried out.
Die Infiltration des Trägers kann durch Aufdrucken, Aufpressen, Einpressen, Aufrollen, Aufrakeln, Aufstreichen, Tauchen, Spritzen oder Aufgießen der Mischung auf den stoffdurchlässigen Träger erfolgen. Die Infiltration mit der Mischung kann wiederholt durchgeführt werden. Gegebenenfalls kann ein Trocknungsschritt, vorzugsweise bei einer erhöhten Temperatur in einem Bereich von 50 bis 200°C, zwischen der wiederholten Infiltration erfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Infiltration des Trägers kontinuierlich. Es kann vorteilhaft sein, wenn der Träger zur Infiltration vorgewärmt wird. Infiltration of the carrier can be done by printing, pressing, pressing, rolling, Doctor knife, spread, dip, spray or pour the mixture onto the permeable carrier. Infiltration with the mixture can be carried out repeatedly become. If necessary, a drying step, preferably an increased one Temperature in a range of 50 to 200 ° C, between repeated infiltration. In In a preferred embodiment, the carrier is infiltrated continuously. It can be advantageous if the carrier is preheated for infiltration.
Die Verfestigung der Mischung in dem Träger kann durch Erwärmen auf eine Temperatur von 50 bis 300°C, vorzugsweise 50 bis 200°C, ganz besonders bevorzugt 80 bis 150°C erfolgen, wobei die Erwärmung durch erwärmte Luft, Heißluft, Infrarotstrahlung oder Mikrowellenstrahlung erfolgen kann. Bei einer Temperatur von 80 bis 150°C erfolgt die Verfestigung über eine Zeit von 1 Sekunde bis 1 Stunde, bevorzugt von 10 Sekunden bis 10 Minuten und ganz besonders bevorzugt von 1 bis 5 Minuten. The mixture can be solidified in the carrier by heating to a temperature of 50 to 300 ° C, preferably 50 to 200 ° C, most preferably 80 to 150 ° C, the heating by heated air, hot air, infrared radiation or Microwave radiation can take place. At a temperature of 80 to 150 ° C the solidification takes place over a time from 1 second to 1 hour, preferably from 10 seconds to 10 minutes and entirely particularly preferably from 1 to 5 minutes.
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 für die Reaktionskomponenten der Brennstoffzellenreaktion undurchlässigen, protonenleitfähigen, flexiblen Elektrolytmembran für eine Brennstoffzelle vorgesehen sind, wobei die Elektrolytmembran einen stoffdurchlässigen, flexiblen, durchbrochenen, ein Glas umfassenden Träger umfasst, wobei der Träger mit einem protonenleitfähigen Gel durchsetzt ist, das geeignet ist selektiv Protonen durch die Membran zu leiten, 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 for the Reaction components of the fuel cell reaction impermeable, proton conductive, flexible Electrolyte membrane are provided for a fuel cell, the electrolyte membrane comprises a permeable, flexible, openwork carrier comprising a glass, wherein the carrier is interspersed with a proton conductive gel that is suitable selective To conduct protons through the membrane, and being the anode layer and the cathode layer are porous and each have a catalyst for the anode and cathode reactions, one proton conductive component and optionally a catalyst support.
Die protonenleitfähige Komponente der Anoden- und/oder Kathodenschicht und/oder das
protonenleitfähige Gel der Elektrolytmembran 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.
- 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. The hydroxysilylalkyl acid is preferably sulfur or phosphorus or a salt thereof with a hydrolyzed compound of phosphorus or a hydrolyzed one Nitrate, oxynitrate, chloride, oxychloride, carbonate, alcoholate, acetate, acetylacetonate one Metal or semi-metal immobilized. In a further preferred embodiment, the Hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or a salt thereof with one 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. Die erfindungsgemäße Membranelektrodeneinheit toleriert vorzugsweise einen Biegeradius von bis herab zu 5000 mm, bevorzugt 100 mm, insbesondere von bis herab zu 50 mm und besonders bevorzugt von 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 invention Membrane electrode unit preferably tolerates a bending radius of down to 5000 mm, preferably 100 mm, in particular from down to 50 mm and particularly preferred from down to 20 mm. The inventive method very particularly preferably tolerates Membrane electrode unit has a bending radius of down to 5 mm.
In einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membranelektrodeneinheit weisen die protonenleitfähige Komponente der Anodenschicht und Kathodenschicht und das protonenleitfähige Gel der Elektrolytmembran die gleiche Zusammensetzung auf. Andererseits ist es auch möglich, dass die protonenleitfähige Komponente der Anodenschicht und/oder der Kathodenschicht und/oder der Membran unterschiedlich sind. In a special embodiment of the membrane electrode unit according to the invention have the proton conductive component of the anode layer and cathode layer and that proton conductive gel of the electrolyte membrane has the same composition. on the other hand it is also possible that the proton conductive component of the anode layer and / or Cathode layer and / or the membrane are different.
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, flexiblen Elektrolytmembran für eine Brennstoffzelle, insbesondere einer erfindungsgemäßen Elektrolytmembran, wobei die Elektrolytmembran einen stoffdurchlässigen, flexiblen, durchbrochenen, ein Glas umfassenden Träger umfasst, wobei der Träger mit einem protonenleitfähigen Gel durchsetzt ist, das geeignet ist selektiv Protonen durch die Membran zu leiten,
- 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.
- A) provision of a proton-conductive, flexible electrolyte membrane which is impermeable to the reaction components of the fuel cell reaction, for a fuel cell, in particular an electrolyte membrane according to the invention, the electrolyte membrane comprising a permeable, flexible, openwork, glass-containing carrier, the carrier being permeated with a proton-conductive gel, that is capable of selectively passing protons through the membrane,
- 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).
- 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 Aluminiumalkoholaten, Vanadium-alkoholaten, Titanpropylat, Titanethylat, Zirkoniumnitrat, Zirkoniumoxynitrat, 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.
- 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, 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 50 bis 300°C, vorzugsweise 50 bis 200°C, ganz besonders bevorzugt 80 bis 150°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 50 to 300 ° C, preferably 50 to 200 ° C, most preferably 80 to 150 ° 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 300°C, vorzugsweise 50 bis 200°C, ganz besonders bevorzugt 80 bis 150°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 300°C, vorzugsweise 50 bis 200°C, ganz besonders bevorzugt 80 bis 150°C umfassen.
- 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 300 ° C., preferably 50 to 200 ° C., very particularly preferably 80 to 150 ° 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 of from room temperature to 300 ° C., preferably 50 to 200 ° C., very particularly preferably 80 to 150 ° 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.
- 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 50 bis 300°C, vorzugsweise von 50 bis 200°C und ganz besonders bevorzugt bei einer erhöhten Temperatur von 80 bis 150°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 50 to 300 ° C, preferably from 50 to 200 ° C and very particularly preferably at an elevated temperature of 80 to 150 ° 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 50 bis 300°C, vorzugsweise 50 bis 200°C, ganz besonders bevorzugt 80 bis 150°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 50 to 300 ° C, preferably 50 to 200 ° C, most preferably 80 to 150 ° C heated. The warming can be done using 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, an ink from a soot Catalyst powder and at least one proton conductive material. The ink But can also contain other additives that have the properties of Improve membrane electrode assembly. The soot can also be caused by other, electrically conductive Materials (such as metal powder, metal oxide powder, carbon, coal) are replaced. In In a special embodiment, a metal or Semimetal oxide powder (such as Aerosil) is used. This ink is then, for example by screen printing, knife coating, spraying on, rolling on or by dipping on the membrane applied.
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 dem protonenleitfähigen Gel der Elektrolytmembran, das 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 Lösemittelanteil in der Tinte beeinflussen. In contrast to the proton conductive gel 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 inhibition of mass transfer to the interface between catalyst 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.
- 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 Aluminiumalkoholaten, Vanadium-alkoholaten, Titanpropylat, Titanethylat, Zirkoniumnitrat, Zirkoniumoxynitrat, 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.
- 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, 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 an electrically conductive material (e.g. a porous Carbon fleece), catalyst and electrolyte contains, are applied directly to the membrane. In the simplest case, the gas distributor and membrane are fixed by a Pressing process. For this it is necessary that the membrane or gas distributor at the Press temperature have thermoplastic properties. The gas distributor can also be fixed on the membrane by an adhesive. This adhesive must be ion-conductive Have properties and can in principle from the material classes already mentioned above consist. For example, a metal oxide sol can be used as the adhesive additionally contains a hydroxysilyl acid. Finally, the gas distributor can also "in situ" applied in the final stage of membrane or gas diffusion electrode manufacture become. At this stage, the proton-conducting material is in the gas distributor or in the membrane not yet cured and can be used as an adhesive. The gluing process takes place in both Precipitation by gelation of the sol followed by 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 Direkt-methanol- 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.
Die vorliegende Erfindung wird an Hand der Fig. 1a und b und 2a und b näher erläutert, ohne dass die Erfindung auf diese Ausführungen beschränkt sein soll. The present invention is explained in more detail with reference to FIGS. 1a and b and 2a and b, without the invention being restricted to these embodiments.
In Fig. 1a ist schematisch ein Ausschnitt einer herkömmlichen Elektrolytmembran wiedergegeben. Es ist ein Glasfaden G zu erkennen, der ummantelt ist von keramischen Partikeln K. Zwischen diesen Partikeln ist der Elektrolyt E vorhanden. In Fig. 1b ist wiederum ein Glasfaden G zu erkennen. Der Glasfaden ist allerdings vom gelartigen Elektrolyten E umgeben, der stochastisch verteilt keramische Partikel enthält. Es ist deutlich zu erkennen, dass bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Elektrolytmembran das dem Elektrolyten zur Verfügung stehende Volumen beträchtlich größer ist als bei herkömmlichen Elektrolytmembranen auf Basis keramischer Mikrofiltrationsmembranen. A section of a conventional electrolyte membrane is shown schematically in FIG. 1a. A glass thread G can be seen, which is coated with ceramic particles K. The electrolyte E is present between these particles. A glass thread G can again be seen in FIG. 1b. However, the glass filament is surrounded by the gel-like electrolyte E, which contains stochastically distributed ceramic particles. It can be clearly seen that in the embodiment of the electrolyte membrane according to the invention, the volume available to the electrolyte is considerably larger than in the case of conventional electrolyte membranes based on ceramic microfiltration membranes.
In Fig. 2a ist schematisch dieselbe Situation wiedergegeben wie in Fig. 1a mit dem Unterschied, dass eine Glasfaser abgebildet ist, die drei Filamente G' aufweist. Aufgrund der geringen Porosität der die Glasfaser umgebenden keramischen Beschichtung K ist der Zwischenraum für den Elektrolyten E quasi nicht zugänglich. Der Elektrolyt E hält sich zwischen den keramischen Partikeln K auf. Anders stellt sich die Situation in Fig. 2b dar. Hier ist der gelartige Elektrolyt auch zwischen den Filamenten G' der Glasfaser vorhanden. Das Totvolumen, also das für die Protonenleitfähigkeit nicht zur Verfügung stehende Volumen in einer so ausgeführten Elektrolytmembran ist deshalb deutlich geringer als bei herkömmlichen Membranen. Auch in Fig. 2b weist der gelartige Elektrolyt wieder keramische Partikel in statistischer Verteilung auf. Die Verteilung wie in Fig. 1b und Fig. 2b dargestellt kann sicher als ideal angenommen werden. Aufgrund des Herstellverfahrens kann es durchaus vorkommen, dass beim Infiltrieren evtl. vorhandene keramische Partikel sich insbesondere an den Filamenten sammeln (Filtrationseffekt). Um diesem entgegen zu wirken, kann es vorteilhaft sein, wenn die Mischung (das Sol) vor dem Infiltrieren zu einem recht hohen Kondensationsgrad geliert wird, so dass eine höherviskose Paste entsteht, die in den Träger eingebracht wird. Auf diese Weise ist es möglich, die statistische Verteilung der keramischen Partikeln nahezu zu bewahren. The situation is schematically represented in FIG. 2a as in FIG. 1a, with the difference that an optical fiber is shown which has three filaments G '. Because of the low porosity of the ceramic coating K surrounding the glass fiber, the space for the electrolyte E is virtually inaccessible. The electrolyte E is located between the ceramic particles K. The situation is different in FIG. 2b. Here, the gel-like electrolyte is also present between the filaments G 'of the glass fiber. The dead volume, i.e. the volume not available for proton conductivity, in an electrolyte membrane designed in this way is therefore significantly lower than in conventional membranes. Also in Fig. 2b, the gel-like electrolyte back to ceramic particles in random distribution. The distribution as shown in Fig. 1b and Fig. 2b can certainly be assumed to be ideal. Due to the manufacturing process, ceramic particles that may be present during infiltration may collect in particular on the filaments (filtration effect). To counteract this, it can be advantageous if the mixture (the sol) is gelled to a fairly high degree of condensation before infiltration, so that a more viscous paste is formed which is introduced into the carrier. In this way it is possible to almost maintain the statistical distribution of the ceramic particles.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen näher erläutert. The invention is explained in more detail below with the aid of examples.
10 g einer 30%igen Trihydroxisilylpropylsulfonsäure werden in 50 g Levasil200® gelöst. Ein S-Glasgewebe mit einer Dicke von 70 µm wird in einem kontinuierlichen Aufwalzprozess mit dieser Lösung beschichtet und bei 150°C kurzzeitig getrocknet. 10 g of a 30% trihydroxysilylpropylsulfonic acid are dissolved in 50 g Levasil200®. On S-glass fabric with a thickness of 70 µm is used in a continuous rolling process coated this solution and dried briefly at 150 ° C.
10 g einer 30%igen Trihydroxisilylpropylsulfonsäure werden in 40 g Ethanol gelöst. Zu dieser Lösung gibt man zunächst einige Tropfen HCl und dann unter kräftigem Rühren 30 ml Dynasilan A® und rührt die Lösung weitere 24 h. 10 g of a 30% trihydroxysilylpropylsulfonic acid are dissolved in 40 g of ethanol. To this The solution is first given a few drops of HCl and then 30 ml with vigorous stirring Dynasilan A® and stir the solution for another 24 h.
Eine Lösung von 2% Dynasilan A® in Ethanol wird mit wenigen Tropfen HCl versetzt. Nach Weiterrühren für 24 h wird ein E-Glasgewebe mit 30 µm Dicke mit dieser Lösung besprüht und mittels Heißluft bei 400°C getrocknet. A solution of 2% Dynasilan A® in ethanol is mixed with a few drops of HCl. To Continue stirring for 24 h, an E-glass fabric with a thickness of 30 µm is sprayed with this solution and dried with hot air at 400 ° C.
Die Trihydroxisilylpropylsulfonsäure enthaltende Lösung wird dann in einem Aufrakelprozeß auf das behandelte E-Glasgewebe aufgebracht und die Membran bei 100°C getrocknet. The solution containing trihydroxysilylpropylsulfonic acid is then applied in a doctor blade process applied to the treated E-glass fabric and the membrane dried at 100 ° C.
8 g einer 20%-igen Lösung von gefällter Kieselsäure (Levasil®) werden mit 1 g Diethylphosphit, 1 g H2SO4 und 1 g Ethanol vermischt. Nach 1 h fügt man dem Sol 5 Gew.-% Aerosil200 zu und homogenisiert die Suspension für weitere 30 min. In einem kontinuierlichen Aufwalzprozess beschichtet man damit ein S-Glasgewebe und trocknet die Membran bei 100°C. 8 g of a 20% solution of precipitated silica (Levasil®) are mixed with 1 g of diethyl phosphite, 1 g of H 2 SO 4 and 1 g of ethanol. After 1 h, 5% by weight of Aerosil200 is added to the sol and the suspension is homogenized for a further 30 min. In a continuous rolling process, an S-glass fabric is coated with it and the membrane is dried at 100 ° C.
Die Membran aus Beispiel 1c wird zur besseren Infiltration nochmals mit dem Aerosil®-freien Sol aus 1c auf der Rückseite beschichtet und auch bei 100°C getrocknet. For better infiltration, the membrane from Example 1c is again coated with the Aerosil®-free one Sol from 1c coated on the back and also dried at 100 ° C.
Diese Membran hat eine LF von 140 mS/cm bei 45% relativer Luftfeuchtigkeit (rF) und 220 mS/cm bei 85% rF. Aufgrund der sehr guten Flexibilität lässt sie sich sehr gut in der Brennstoffzelle einbauen und zeigt eine gute Performance. This membrane has an LF of 140 mS / cm at 45% relative air humidity (RH) and 220 mS / cm at 85% RH. Due to the very good flexibility, it can be very easily used in the Install fuel cell and shows good performance.
120 g einer 20%-igen Lösung von gefällter Kieselsäure (Levasil200®, Bayer) werden mit 10 g
Diethylphosphit (DEP), 10 g Ethanol und 10, 15 oder 20 g H2SO4 vermischt. Nach 1 h fügt
man dem Sol 5 Gew.-% Aerosil200® oder VP 25® (beide Degussa) zu und homogenisiert die
Suspension für weitere 30 min. Nach 24 h Homogenisierung des Sol fügt man gegebenenfalls
weitere 20, 30 oder 40 Gew.-% Al2O3 (CT3000®, AlCoA) zu. In einem kontinuierlichen
Aufwalzprozess behandelt man damit ein ca. 70 µm dickes S-Glasgewebe und trocknet die
Membran bei 120°C für einige Minuten mittels Heißluft. In der nachfolgenden Tabelle 1 ist
die jeweilige Zusammensetzung der Suspension, mit welcher das Glasgewebe behandelt wurde
sowie die Leitfähigkeiten der erhaltenen Membranen (cPEMs) angegeben.
120 g of a 20% solution of precipitated silica (Levasil200®, Bayer) are mixed with 10 g diethyl phosphite (DEP), 10 g ethanol and 10, 15 or 20 g H 2 SO 4 . After 1 h, 5% by weight of Aerosil200® or VP 25® (both Degussa) are added to the sol and the suspension is homogenized for a further 30 min. After the sol has been homogenized for 24 hours, a further 20, 30 or 40% by weight of Al 2 O 3 (CT3000®, AlCoA) is optionally added. In a continuous rolling process, an approximately 70 µm thick S-glass fabric is treated and the membrane is dried at 120 ° C for a few minutes using hot air. Table 1 below shows the particular composition of the suspension with which the glass fabric was treated and the conductivities of the membranes obtained (cPEMs).
Eine Membran gemäß Beispiel 1d, wird in einem kontinuierlichen Aufwalzprozess mit einer 5%-igen Nafion®-Lösung beschichtet und bei 100°C getrocknet. Die LF der Gesamtmembran nimmt zwar etwas ab, die Membran eignet sich jedoch für die DMFC. A membrane according to Example 1d is in a continuous rolling process with a 5% Nafion® solution coated and dried at 100 ° C. The LF of the entire membrane decreases somewhat, but the membrane is suitable for the DMFC.
Zu 10 ml 5%-iger Nafion®-Lösung werden unter kräftigem Rühren 10 ml Dynasil A® zugegeben und so lange gerührt, bis nur noch eine klare Phase vorhanden ist. Eine Membran gemäß Beispiel 1d, wird in einem kontinuierlichen Aufwalzprozess mit dieser Lösung beschichtet und bei 100°C getrocknet. 10 ml of Dynasil A® are added to 10 ml of 5% Nafion® solution with vigorous stirring added and stirred until there is only a clear phase. A membrane according to Example 1d, in a continuous rolling process with this solution coated and dried at 100 ° C.
Zu 10 ml 5%-iger Nafion®-Lösung werden unter kräftigem Rühren 10 ml Dynasil A® gelöst in 10 ml Ethanol zugegeben und noch kurze Zeit weiter gerührt. Eine Membran gemäß Beispiel 1e5, wird in einem kontinuierlichen Aufwalzprozess mit dieser Lösung beidseitig beschichtet und bei 100°C getrocknet. 10 ml of Dynasil A® are dissolved in 10 ml of 5% Nafion® solution with vigorous stirring added in 10 ml of ethanol and stirring continued for a short time. A membrane according to the example 1e5, is coated on both sides with this solution in a continuous rolling process and dried at 100 ° C.
10 g einer 30%igen Trihydroxisilylpropylsulfonsäure werden in 50 g Levasil200® gelöst. Eine Membran gemäß Beispiel 1d, wird in einem kontinuierlichen Aufwalzprozess mit dieser Lösung beschichtet und bei 100°C getrocknet. 10 g of a 30% trihydroxysilylpropylsulfonic acid are dissolved in 50 g Levasil200®. A Membrane according to Example 1d, is in a continuous rolling process with this Solution coated and dried at 100 ° C.
10 g einer 30%igen Trihydroxisilylpropylsulfonsäure werden in 40 g Ethanol gelöst. Zu dieser Lösung gibt man zunächst einige Tropfen HCl und dann unter kräftigem Rühren 30 ml Dynasilan A® und rührt die Lösung weitere 24 h. Eine Membran gemäß Beispiel 1d, wird in einem kontinuierlichen Aufwalzprozess mit dieser Lösung beschichtet und bei 100°C getrocknet. 10 g of a 30% trihydroxysilylpropylsulfonic acid are dissolved in 40 g of ethanol. To this The solution is first given a few drops of HCl and then 30 ml with vigorous stirring Dynasilan A® and stir the solution for another 24 h. A membrane according to Example 1d is in a continuous rolling process coated with this solution and at 100 ° C dried.
Eine gemäß Beispiel 1e5 hergestellte Membran wird zunächst mittels einer Rakel mit einer dünnen Schicht Zirkoniumpropylat beidseitig beschichtet. In Gegenwart von Luftfeuchte wird das Alkoholat hydrolysiert. Das frisch gefällte Zirkoniumhydroxid/~oxid wird anschließend mit H3PO4, umgesetzt und die Membran kurzzeitig bei 200°C getrocknet um das gebildete Zirkoniumphosphat zu verfestigen. Diese dünne Schichte ist dann wasserunlöslich und verhindert das Ausbluten des Elektrolyten. A membrane produced according to Example 1e5 is first coated on both sides by means of a doctor blade with a thin layer of zirconium propylate. The alcoholate is hydrolyzed in the presence of air humidity. The freshly precipitated zirconium hydroxide / oxide is then reacted with H 3 PO 4 and the membrane is briefly dried at 200 ° C. in order to solidify the zirconium phosphate formed. This thin layer is then insoluble in water and prevents the electrolyte from bleeding out.
10 ml wasserfreie Trihydroxysilylpropylsulfonsäure, 60 ml Ethanol sowie 5 ml Wasser werden durch Rühren gemischt. Zu dieser Mischung wird unter Rühren langsam 40 ml TEOS (Tetraethylorthosilikat) zugetropft. In diesem Sol wird der aus DE 197 21 437 bzw. DE 198 16 622 bekannte Katalysator dispergiert so dass in der Elektrode ein Katalysator-Belegungsgrad von etwa 0,2 mg/cm2 bzw. 0,5 mg/cm2 erzielt werden kann. 10 ml of anhydrous trihydroxysilylpropylsulfonic acid, 60 ml of ethanol and 5 ml of water are mixed by stirring. 40 ml of TEOS (tetraethyl orthosilicate) are slowly added dropwise to this mixture with stirring. The catalyst known from DE 197 21 437 and DE 198 16 622 is dispersed in this sol so that a degree of catalyst coverage of approximately 0.2 mg / cm 2 or 0.5 mg / cm 2 can be achieved in the electrode.
100 ml Titanisopropylat werden unter kräftigem Rühren in 1200 ml Wasser getropft. Der entstandene Niederschlag wird 1 h gealtert und dann mit 8,5 ml konz. HNO3 versetzt und in der Siedehitze für 24 h peptisiert. In 50 ml dieses Sols werden 50 g Wolframphosphorsäure gelöst und dann der Katalysator wie in Beispiel 3 beschrieben darin dispergiert. 100 ml of titanium isopropylate are dropped into 1200 ml of water with vigorous stirring. The resulting precipitate is aged for 1 h and then concentrated with 8.5 ml. HNO 3 was added and peptized at the boiling point for 24 h. 50 g of tungsten phosphoric acid are dissolved in 50 ml of this sol and the catalyst is then dispersed therein as described in Example 3.
20g Aluminiumalkoholat und 17 g Vanadiumalkoholat werden mit 20 g Wasser hydrolysiert und der entstandene Niederschlag wird mit 120 g Salpetersäure (25%ig) peptisiert. Diese Lösung wird bis zum Klarwerden gerührt und nach Zugabe von 40 g Titandioxid der Fa. Degussa (P25) wird noch bis zum Auflösen aller Agglomerate gerührt. Nach Einstellung eines pH Wertes von ca. 6 wird der Katalysator wie in Beispiel 3 beschrieben darin dispergiert. 20 g of aluminum alcoholate and 17 g of vanadium alcoholate are hydrolyzed with 20 g of water and the precipitate formed is peptized with 120 g of nitric acid (25%). This solution is stirred until clear and after adding 40 g of titanium dioxide from Degussa (P25) is stirred until all agglomerates have dissolved. After setting a pH of about 6, the catalyst is dispersed therein as described in Example 3.
10 ml wasserfreie Trihydroxysilylpropylsulfonsäure, 60 ml Ethanol sowie 5 ml Wasser werden durch Rühren gemischt. Zu dieser Mischung wird unter Rühren langsam 20 ml TEOS (Tetraethylorthosilikat) und 20 ml Methyltriethoxysilan zugetropft. In diesem Sol wird der in DE 196 11 510 oder der in DE 198 12 592 verwendete Katalysator dispergiert so dass in der Elektrode ein Pt-Belegungsgrad von etwa 0,15 mg/cm2 bzw. 0,25 mg/cm2 erzielt werden kann. 10 ml of anhydrous trihydroxysilylpropylsulfonic acid, 60 ml of ethanol and 5 ml of water are mixed by stirring. 20 ml of TEOS (tetraethyl orthosilicate) and 20 ml of methyltriethoxysilane are slowly added dropwise to this mixture with stirring. The catalyst used in DE 196 11 510 or the one used in DE 198 12 592 is dispersed in this sol, so that a Pt coverage level of about 0.15 mg / cm 2 or 0.25 mg / cm 2 can be achieved in the electrode ,
20 g Methyltriethoxysilan, 20 g Tetraethylorthosilikat und 10 g Aluminiumtrichlorid werden mit 50 g Wasser in 200 g Ethanol hydrolysiert. Hierzu werden dann 190 g Zeolith USY (CBV 600 der Fa. Zeolyst) gegeben. Es wird noch solange gerührt, bis sich alle Agglomerate aufgelöst haben und anschließend wird der Katalysator wie in Beispiel 6 beschrieben darin dispergiert. 20 g of methyltriethoxysilane, 20 g of tetraethyl orthosilicate and 10 g of aluminum trichloride hydrolyzed with 50 g water in 200 g ethanol. 190 g of zeolite USY (CBV 600 from Zeolyst). The mixture is stirred until all agglomerates are gone have dissolved and then the catalyst is as described in Example 6 therein dispersed.
Eine Membran gemäß Beispiel 2c wird mit der Tinte gemäß Beispiel 3 durch Siebdruck zunächst auf der Vorderseite bedruckt. Diese Seite dient in der späteren Membranelektrodeneinheit als Anode. Die bedruckte Membran wird bei einer Temperatur von 150°C getrocknet. Neben dem Entweichen des Lösemittels kommt es gleichzeitig zu einer Immobilisierung der Silylpropylsulfonsäure. A membrane according to Example 2c is screen printed with the ink according to Example 3 first printed on the front. This page serves in the later Membrane electrode unit as an anode. The printed membrane is at a temperature of 150 ° C dried. In addition to the escape of the solvent, there is also a Immobilization of the silylpropylsulfonic acid.
Im zweiten Schritt wird die Membran auf der Rückseite, die später als Kathode dienen soll, mit der Tinte aus Beispiel 6 bedruckt. Auch jetzt wird die bedruckte Membran wiederum bei einer Temperatur von 150°C getrocknet wobei das Lösemittel entweicht und es gleichzeitig zu einer Immobilisierung der Silylpropylsulfonsäure kommt. Da die Kathode hydrophob ist, kann beim Betrieb der Membranelektrodeneinheit in der Brennstoffzelle das Produktwasser leicht entweichen. Diese Membranelektrodeneinheit kann in eine Direktmethanol-Brennstoffzelle oder eine Reformat-Brennstoffzelle eingebaut werden. In the second step, the membrane on the back, which will later serve as the cathode, is attached printed on the ink from Example 6. Even now the printed membrane is in turn at one Dried temperature of 150 ° C whereby the solvent escapes and at the same time it becomes a Immobilization of the silylpropylsulfonic acid comes. Since the cathode is hydrophobic, the Operation of the membrane electrode assembly in the fuel cell makes the product water easily escape. This membrane electrode assembly can be used in a direct methanol fuel cell or a reformate fuel cell can be installed.
Zur Herstellung der Elektroden werden sowohl die Anodentinte gemäß Beispiel 4 als auch die Kathodentinte gemäß Beispiel 7 jeweils auf ein elektrisch leitfähiges Kohlepapier aufgebracht. Durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 150°C wird das Lösemittel entfernt und die protonenleitfähige Komponente immobilisiert. Diese beiden Gasdiffusionselektroden werden einmal mit einer protonenleitfähigen Membran gemäß Beispiel 1e5 und einmal mit einer protonenleitfähigen Membran gemäß Beispiel 2c zu einer Membranelektrodeneinheit verpresst, die dann in die Brennstoffzelle eingebaut werden kann. To produce the electrodes, both the anode ink according to Example 4 and Cathode ink according to Example 7 each applied to an electrically conductive carbon paper. The solvent is removed by heat treatment at a temperature of 150 ° C and immobilized the proton-conductive component. These two gas diffusion electrodes are once with a proton conductive membrane according to Example 1e5 and once with a proton-conductive membrane according to Example 2c to form a membrane electrode assembly pressed, which can then be installed in the fuel cell.
Zur Herstellung der MEA werden zunächst die Elektroden gefertigt. Hierzu wird ein Keramikvlies mit einem Ruß/Platingemisch (40%) beschichtet. Diese Elektroden werden zum einen auf eine protonenleitfähigen Membran gemäß Beispiel 1e5 und zum anderen auf eine protonenleitfähigen Membran gemäß Beispiel 2c gepresst. Die Anpressung erfolgt über eine graphitische Gasverteilerplatte, die gleichzeitig zur elektrischen Kontaktierung dient. Auf der Anodenseite kommt reiner Wasserstoff und auf der Kathodenseite reiner Sauerstoff zum Einsatz. Beide Gase werden über Wasserdampfsättiger (sogenannte "Bubbler") befeuchtet. To manufacture the MEA, the electrodes are first manufactured. For this, a Ceramic fleece coated with a soot / platinum mixture (40%). These electrodes become one on a proton conductive membrane according to Example 1e5 and the other on one proton-conductive membrane pressed according to Example 2c. The pressure is applied via a graphitic gas distribution plate, which also serves for electrical contacting. On the Pure hydrogen is added to the anode side and pure oxygen is added to the cathode side Commitment. Both gases are moistened via water vapor saturators (so-called "bubblers").
Eine Brennstoffzelle wurde wie in Beispiel 9 beschrieben hergestellt, außer dass als protonenleitende Membran eine herkömmliche Nafion®117-Membran eingesetzt wurde. Es wurde gefunden, dass die Protonenleitfähigkeit bei Verwendung einer Nafionmembran bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von weniger als 100% drastisch abfiel und der Flächenwiderstand stark anstieg, so dass die Brennstoffzelle nicht mehr betrieben werden konnte. Andererseits kann eine erfindungsgemäße Membran auch bei einer relativen Luftfeuchtigkeit betrieben werden, die anodenseitig bei etwa 10% und kathodenseitig bei etwa 5% lag, ohne dass die Funktion der Brennstoffzelle wesentlich beeinträchtigt wurde. A fuel cell was made as described in Example 9, except that as proton-conducting membrane, a conventional Nafion®117 membrane was used. It it was found that the proton conductivity when using a Nafion membrane a relative humidity of less than 100% and the Surface resistance increased sharply so that the fuel cell can no longer be operated could. On the other hand, a membrane according to the invention can also be used in a relative Humidity operated, the anode side at about 10% and the cathode side at about 5% was without significantly impairing the function of the fuel cell.
Claims (73)
eine Brönstedsäure und/oder eine immobilisierbare Hydroxysilylalkylsäure von Schwefel oder Phosphor oder ein Salz davon sowie ein Sol, das eine Vorstufe für Oxide von Aluminium, Silizium, Titan, Zirkonium, und/oder Phosphor umfasst und
a Bronsted acid and / or an immobilizable hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus or a salt thereof and a sol which comprises a precursor for oxides of aluminum, silicon, titanium, zirconium and / or phosphorus and
[{(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. 5. Electrolyte membrane according to one of claims 2 to 4, characterized in that the hydroxysilylalkyl acid of sulfur or phosphorus 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.
von 64 bis 66 Gew.-% SiO2,
von 24 bis 25 Gew.-% Al2O3,
von 9 bis 12 Gew.-% MgO und
kleiner 0,2 Gew.-% CaO, Na2O, K2O und/oder Fe2O3. 13. Electrolyte membrane according to one of claims 1 to 12, characterized in that the glass of the carrier has the following composition:
from 64 to 66% by weight SiO 2 ,
from 24 to 25% by weight of Al 2 O 3 ,
from 9 to 12% by weight of MgO and
less than 0.2% by weight of CaO, Na 2 O, K 2 O and / or Fe 2 O 3 .
von 52 bis 56 Gew.-% SiO2
von 12 bis 16 Gew.-% Al2O3
von 5 bis 10 Gew.-% B2O3
von 16 bis 25 Gew.-% CaO
von 0 bis 5 Gew.-% MgO
kleiner 2 Gew.-% Na2O + K2O
kleiner 1,5 Gew.-% TiO2
kleiner 1 Gew.-% Fe2O3. 14. Electrolyte membrane according to one of claims 1 to 13, characterized in that the carrier contains fibers or filaments made of glass, which are equipped with an acid-resistant coating of α-Al 2 O 3 , ZrO 2 or TiO 2 and the glass preferably has the following composition having:
from 52 to 56% by weight of SiO 2
from 12 to 16% by weight of Al 2 O 3
from 5 to 10% by weight of B 2 O 3
from 16 to 25 wt% CaO
from 0 to 5 wt% MgO
less than 2% by weight Na 2 O + K 2 O
less than 1.5% by weight of TiO 2
less than 1% by weight of Fe 2 O 3 .
[{(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. 36. Membrane electrode unit according to claim 34, 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.
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 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,
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 tetraethyltosilicate (TEOS) or Zirconium nitrate, zirconium oxynitrate, zirconium propylate, zirconium acetate or zirconium acetylacetonate,
einer hydrolysierbaren Verbindung des Phosphors oder
hydrolysierbaren Nitraten, Oxynitraten, Chloriden, Oxychloriden, Carbonaten, Alkoholaten, Acetaten, Acetylacetonaten eines Metalls oder Halbmetalls, vorzugsweise Aluminiumalkoholaten, Vanadium-alkoholaten, Titanpropylat, Titanethylat, Zirkoniumnitrat, Zirkoniumoxynitrat, Zirkoniumpropylat, Zirkoniumacetat oder Zirkoniumacetylacetonat, oder
Metallsäuren des Aluminiums, Siliziums, Titans, Vanadiums, Antimons, Zinns, Bleis, Chroms, Wolframs, Molybdäns, Mangans, wobei Wolframphosphorsäure und Siliziumwolframsäure bevorzugt ist,
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, 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,
hydrolysierbaren Nitraten, Oxynitraten, Chloriden, Oxychloriden, Carbonaten, Alkoholaten, Acetaten, Acetylacetonaten eines Metalls oder Halbmetalls, vorzugsweise Aluminiumalkoholaten, Vanadium-alkoholaten, Titanpropylat, Titanethylat, Zirkoniumnitrat, Zirkoniumoxynitrat, Zirkoniumpropylat, Zirkoniumacetat oder Zirkoniumacetylacetonat, oder
Metallsäuren des Aluminiums, Titans, Vanadiums, Antimons, Zinns, Bleis, Chroms, Wolframs, Molybdäns, Mangans, wobei Wolframphosphorsäure bevorzugt ist, und/oder
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, zirconium acetate or zirconium acetate
Metal acids of aluminum, titanium, vanadium, antimony, tin, lead, chromium, tungsten, molybdenum, manganese, with tungsten phosphoric acid being preferred, and / or
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