DE1442399A1

DE1442399A1 - Ionenaustauschmembranen fuer Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE1442399A1
Application number: DE19651442399
Authority: DE
Inventors: Carl Berger; Kelmers Andrew D
Original assignee: Douglas Aircraft Co Inc
Current assignee: Douglas Aircraft Co Inc
Priority date: 1964-10-20
Filing date: 1965-10-18
Publication date: 1968-11-21
Also published as: US3497389A; GB1126047A; SE317646B

Description

Die Erfindung betrifft Ionenaustauschmembranen, die besonders für Brennstoffzellen geeignet sind.. Sie betrifft insbesondere neuartige Mittel für Ionenaustauschmembranen, die das Wasser in der Membran zurückhalten und das Wassergleichgeiricht aufrechterhalten, irenn die Membran besonders bei Temperaturen von über etna 100⁰C in einer Brennstoffzelle verwendet nird, so daß eine stark leitfähige und hoch wirksame Membran für Brennstoffzellen bei derartigen hohen Temperaturen erhalten nird.

Eines der Hauptprobleme bei der Verwendung von Ionenaustauschmembranen, besonders anorganischen Ionenaustauschmembranen in Brennstoffzellen, liegt in der Erfordernis, daß in der Membran eine genügende Menge Wasser zurückgehal-

ten wird, damit eine hohe Leitfähigkeit und hohe Betriebswirksamkeit der Brennstoffzelle erhalten wird. Diese Schwierigkeit tritt insbesondere dann auf, wenn die Brennstoffzelle bei Temperaturen von über etwa 100⁰C betrieben werden soll, wie es für manche Anwendungszwecke notwendig ist. Außerdem stellt sich das Problem, die physikalische Beständigkeit und den Zusammenhalt der Membran während des Betriebs der Brennstoffzelle zu erhalten.

Ein typisches anorganisches ionenleitendes Material für Ionenatistauschmembranen in Brennstoffzellen ist Zirkonphosphat. In einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, in der eine derartige Membran eingebaut ist, wird z.B. das Zirkonphosphat zwischen den Katalysatorelektroden angeordnet. Beim Betrieb der Zelle wird das Wasserstoffion, das an der Anode gebildet wird, hindurch transportiert und wandert zur Kathode, wo es sich mit dem Hydroxylion unter Bildung von Wasser vereinigt. Es wurde gefunden, daß zur ■ Erzielung einer hohen Leitfähigkeit, insbesondere bei über 100⁰C, genügende Mengen an gebundenem und in den Zwischenräumen frei befindlichem Wasser notwendig sind. Bei Brennstoffzellen, die mit Kohlenwasserstoff-Brennst offen betrieben werden, ist es erforderlich, einen ausreichenden Wasserdampf druck in den Poren der Membran aufrechtzuerhalten und eine genügende Menge an Wasser an der Katalysator-Elektrolyt-(ionenaustauschmembran)-G-renzf lache und in den Katalysa-

O Oß ft A / Λ »f «J (J

-3-

torporen zur Yerfügung zu haben, besonders bei hohen Temperaturen von et-wa 150 bis etie, 200⁰C, "bei denen Zellen dieser Art allgemein betrieben »erden.

Es ist daher ein Ziel aer Erfindung, Mittel für Ionenäustauschmembranen, die das Wasser zurückzuhalten vermögen bzw· Feuchthaltemittel zur Aufrechterhaltung einer hohen Leitfähigkeit von Ionenäustauschmembranen vorzuschlagen, die besonders in Brennstoffzellen verwendet werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung sind wirksame anorganische Ionenäustauschmembranen, z.B. Zirkonphosphatmembranen, die ein Mittel enthalten, das Wasser zurückhält und das Wassergleichgewicht in der Membran aufrechterhält, so daj eine Membran mit hoher ionischer Leitfähigkeit und guter physikalischer Beständigkeit und einem guten Zusammenhalt entsteht, die in Brennstoffzellen verwendet werden, welche mit gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen wie Wasserstoff, Sauerstoff, Ammoniak, Kohlenwasserstoffen und dgl. bei Tejgperaturen von über 100⁰C betrieben werden. Ein weite=- res Ziel sind Brennstoffzellen, die bei Temperaturen von über 100⁰C betrieben werden können und die diese verbesserten Ionenaustausßhmembranen mit hoher Leitfähigkeit enthalt ten.

Änäere Ziel© und Torteil© gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor.

Bb msac&m gefunden, daß die obigen Ziele und Vorteile erreicäü uüä «ine I&^amm&whmmeämembTSiji hoher Leitfähigkeit

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und Festigkeit, die besonders zum Betrieb von Brennstoffzellen geeignet ist, und zwar insbesondere solchen, die bei Temperaturen von etwa 100⁰C oder darüber betrieben werden, erhalten wird, wenn in die lonenaustauschmatrix anorganische Zusätze mit bestimmten Wasserdampf-Eigensehaften eingebaut werden^ die lasser zurückzuhalten vermögen und hinreichende und vorzugsweise genügend hohe Wasserdampfdrucke bei über 100⁰C für diesen Zweck aufweisen. Typische und bevorzugte Feuchthaltemittel (water balancing agent) für die erfindungsgemäßen Zwecke sind Kieselsäure, Alumosilikate, Phosphorpentoxyd5 Aluminiumsulfat und Kupfersulfat.

Es kann jedoch jedes Feuohthaitemitttl in die lonen- »

austauschmembran eingebaut warden,, das die Wassariaenge bei einer bestimmten Temperatur und insbesondere bei Temperaturen von über 100⁰O, auf einen bestimmten Wert hält, so daß eine möglichst hohe Leitfähigkeit der Membran bei dieser Temperatur erzielt wird. Geeignete Feuchthaltemittel sind solches die in einer anorganischen Membran einer Brennstoffzelle, etwa einer Wasserstoff-Sauerstoffzelle, einen genügend hohen Wasserdampf druck bei Temperaturen von über 100⁰G ergeben, z_oB. als Wasser, das durch eine elektrochemisch© Reaktion zurückgehalten wird oder als Wasser, das von der umgebenden Atmosphäre eingesogen wird. Es können Feuchthaltemittel verwendet werden, die, wenn sie in einer anorganischen Membran einer Brennstoffzelle zugegen

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sind, einen lasserdampf druck von etwa 10 bis etwa 200 mm bei 10O⁰O und Atmosphärendruck ergeben. Wenn Kohlenwasserstoff-Brennstoffe, z.B. Methan, Propan, Butan, Hexan, Benzin und dgl., verwendet werden, die in der Brennstoffzelle bei höherer Temperatur oxydiert werden, sind Feuchthaltemittel verwendbar, die einen Wasserdampfdruck in der Größenordnung von etwa 400 bis 750 mm bei 150 bis 200⁰C und Atmosphärendruck aufweisen. Beispiele für Peuchthaltemittel neben den oben genannten, die hierfür verwendbar sind, sind Ludox (kolloidale Kieselsäure), Cab-o-sil (Diatomeenerde), saures Ammoniumphosphat, aktivierte Tonerde, Kieselgel und Calciumchlorid.

Das Peuchthaltemittel kann in das lonenaustauschmaterial während der Herstellung der Ionenaustauschmembran eingebaut werden. Die verwendete Menge an Peuchthaltemittel oder wasserbindendem Mittel kann von 1 bis zu 80 Gew.-^ des Gemisches des Ionenaustauschmaterials betragen. In der bevorzugten Ausführungsform liegt die Menge an Peuchthaltemittel jedoch zwischen etwa 5 und etwa 50 Gew.-j£ des Gemisches·

Wie nachstehend noch näher erläutert, haben Versuche gezeigt, daß der Einbau eines Feuchthaltemittels in die Ionenaustauschmembran gemäß der Erfindung den Widerstand der Ionenaustauschmembran sehr stark herabsetzt, verglichen mit dem Widerstand einer Membran, die kein Feuchthaltemittel

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enthält. Der Widerstand einer reinen Zirkonphosphat-Ionenaustauschmembran kann z.B. in der Größenordnung von mehreren Tausend Ohm-cm oder mehr betragen, wohingegen die gleiche Zirkonphosphat-Membran, die ein Feuchthaltemittel der oben beschriebenen Art enthält, einen Widerstand von im wesentlichen weniger als 100 Ohm-cm aufweist.

Als Ionenaustauschmembranen, die gemäß der Erfindung mit einem Feuchthaltemittel versehen werden können, können sowohl anorganische als auch organische Membranen verwendet werden, die ein ionenleitendes System ergeben. Das Feuchthaltemittel, das in eine solche Ionenaustauschmembran eingebaut wird, besitzt die Fähigkeit, Wasser anzuziehen oder zurückzuhalten, das entweder an den Elektroden der Brennstoffzelle erzeugt oder aus dem umgebenden Wasserdampf der Umgebung eingesogen wird. Beispiele für bevorzugte anorganische Ionenaustauschmembranen _? die verwendet werden können, sind die wasserunlöslichen sauren Salze, wie Zirkonphosphat und die wasserunlöslichen Metall-Oxydhydrate, wie Zirkonoxydhydrat. Beispiele für andere ionenaustauschend© oder ionanleitende Oxydhydrat-Materialien, die zur Herstellung von Ionenaustauschmembranen verwendet werden können, sind die unlöslichen Oxydhydrate des Titans, Antimons, Wolframs, Siliciums, Scandiums, Wismuts^ Vanadiums, Chroms und Aluminiums« Unlösliche Metalliiydroxyde, wie Zink-, Kupfer- und Cadmiumhydroxyd können auch als ionenleitende

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Materialien verwendet werden. Beispiele für andere unlösliche saure Salze neben Zirkonphosphat, die als ionenleitende Materialien zur Herstellung von Ionenaustauschmem-"branen verwendet werden können, sind Zirkonsulfat, Titanmolybdat, Titanphosphat und dgl. Die Säuren, aus denen derartige unlösliche saure Salze hergestellt werden können, sind Phosphorsäure, Molybdänsäure und Schwefelsäure und das Kation dieser sauren Salze umfaßt Metalls wie Zirkon, Titan, Antimon, Wolfram und Vanadium. Ionenaustauschmembranen können aus unlöslichen sauren Salzen und aus unlöslichen Metalloxydhydraten hergestellt werden.

Organische Ionenaustauschmembranen können auch verwendet werden, z.B. ein organischer Kationenaustauscher aus vernetzten! Polystyrol in einem Polypropylen- oder Polyäthylenmedium. Wie jedoch vordem ausgeführt, werden die organischen ionenleitenden Membranen erfindungsgemäß nicht "bevorzugt.

Die lonenaustauschmembranen gemäß der Erfindung können hergestellt werden, indem das ionenleitende Material, z.B. Zirkonphosphat, mit dem Feuchthaltemittel, z.B. Kieselsäure, in den oben beschriebenen geeigneten Mengenverhältnissen vermischt wird. Das Gemisch kann dann gegebenenfalls granuliert und in Scheibenform gepreßt werden, die dann gesintert werden.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen lonenaustausch-

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membranen in einer Brennstoffzelle wird an Hand der anliegenden Zeichnungen näher beschrieben, wobei

Figur 1 eine Brennstoffzelle mit einer lonenaustauschmembran gemäß der Erfindung schematisch wiedergibt,

Figur 2 einen Querschnitt einer beispielhaften

Brennstoffzelle zeigt ₃ die ©ine erfindungsgenaäße lonenaustauschmembran enthalte

Wie aus Figur 1 der Zeichnung ersichtlich, besteht die Brennstoffzelle im westlichen aus einem Behälter 10, der eine Ionenaust aus chmembran oder ionenleitende Membran 12 enthält, die in der Mitte des Behälters angeordnet ist Und auf der einen Seite mit einer Katalysatorelektrode 14 und auf der anderen ■ gegenüber!iegend©n Saite mit einer ζ we it en latalysatorelektrod® 16 in Berührung steht» Die Membran 12 teilt demnach den Behälter 10 in zwei Gaskammern 18 und 20 mit den dazugehörigen Satalysatorelektroden 14 und 16* Mit der Kammer 20 ist eine Zulsitung 22 verbunden und eine zweite Zuleitung 24 führt zur Eammer 20. Die latalysatorelektroden 14 und 16 sind mit Eabel 26 und 28 verbunden far den Anschluß über ©inen äuBeren Stromkreis.

Durch die Zuleitung 22 kann so 2J. Wasserstoff in die Kammer 20 eingeleitet und Sauerstoff durch die Zuleitung 24 in äie Eammer 20 eingeleitet werden, = so daß in diesem Fall eine Sauerstoff-Wasserstoff-Brennstoffzelle

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entsteht« Der Wasserstoff in der Kammer 18 wird an der Katalysatorelektrode oder Anode 14 umgesetzt und zu Wasserstoffionen oxydiert, die durch die ionenleitende Membran 12 wandern und mit den Hydroxylionen an der Katalysatorelektrode oder Kathode 16 sich umsetzen, wobei die Hydroxylionen durch Reduktion des Sauerstoffs in der Kammer 20 an dieser Katalysatorelektrode oder Kathode gebildet werden· Es bildet sich Wasser. Wie vordem ausgeführt, sorgen die erfindungsgemäßen Zusätze oder Feuchthaltemittel, die in der Ionenaustauschmembran enthalten sind, für einen hinreichend hohen Wasserdampfdruck und halten das gebildete Wasser, insbesondere bei Temperaturen von über 100⁰O, in der Membran fest, wodurch eine Membran mit geringem inneren Widerstand und hoher Leitfähigkeit entsteht»

In der Figur 2 der Zeichnung bedeutet 31 eine Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Ionenaustauschmembran,Die Brennstoffzelle 31 besteht aus zwei Seitenplatten 30, die nach dem Zusammenfügen zwei gegenüberliegende Neoprendichtungen 32 und 33 mit der Ionenaustauschmembran 34 zwischen den Dichtungen 32 und 33 zusammenhalten· Bei dieser Ausführungsform besteht die ionenleitende Membran 34 aus Zirkonpho3phat, das Kieselsäure als Feuchthaltemittel enthält. Der Zusammenbau der Teile 30, 32, 33 und 34 kann mit Hilfe eines geeigneten Klebstoffs oder Leims erfolgen.

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Der mittlere Teil der ionenleitenden Membran 34 ist mit einem Platinschwarz-Katalysator auf beiden Seiten der Membran überzogen, in der Zeichnung mit 40 und 41 bezeichnet ο Vor dem Zusammenbau der Teile 30, 32, 33 und 34 werden platinisierte Netze 38 und 39 in der Mitte der Dichtungen 32 und 33 angebracht, wobei die äußeren Ränder der Fetze zwischen der Membran 34 und den entsprechenden Dichtungen 32 und 33 zu liegen kommen_o Nach dem Zusammenbau der obigen Teile sieht man, daß sich geschlossene Kammern 36 und 37 auf den gegenüberliegenden Seiten der ionenlei— tenden Membran 34 bilden, wobei die Kammer 36 das Hetz 38 und die Katalysatorelektrode 40 und die Kammer 37 das Netz 39 und die Katalysatorelektrode 41 enthalte Die Netze 38 und 39 sind aus Lochmaterial oder siebförmigem Material hergestellt«,

Di© Brennstoffzelle 31 wird mit einer ersten Zuleitung 42 versehen, die durch die Dichtung 32 zur Kammer 36« führt und zum Einleiten von Gas, ζ_ΘΒ_β Sauerstoff, in diese Kammer dient, und mit einer zweiten Zuleitung 43 versehen, die durch die Dichtung 33 mit der gegenüberliegenden Gaskammer 37 in Verbindung steht und zum Einleiten eines anderen Gases, z_eB_o Wasserstoff, in diese Kammer dient. Mit den platinisierten Netzen 38 und 39 sina die elektrischen Zuführungen 44 und 45 verbunden^ die aus der Brennstoffzelle herausragen» Die Zuführungen 44 und 45 sind über die elektrischen Kabel 46 und 47 in einem äußeren Stromkreis mit einem Akkumulator 48 verbunden,

ft η Q a-η q/ η ? α ο "" _-

Der oben beschriebene Aufbau gemäß der Erfindung kann auch auf andere Brennstoffzellen angewendet werden, z„B_e Ammoniak- und Kohlenwasserstoff-Brennstoffzelleno Bei der ersteren wird Ammoniak in die Kammer 37 und Sauerstoff in die Kammer 36 eingeleitet« Bei einer Brennstoffzelle der letzteren Art wird ein Kohlen&fcewasserstoff, z„B_e Propan, in die Kammer 37 und Sauerstoff in die Kammer 36 eingeleitet« In beiden Fällen entsteht durch elektrochemische Umsetzung Wasser, das in der lonenaustauschmembran 34 durch das oben beschriebene Feuchthaltemittel, z_oB„ Kieselsäure, das in dieser Membran enthalten ist, insbesondere bei ■ hohen Betriebstemperaturen von über 10O⁰C, und besonders über 150⁰C bei Kohlenwasserstoff-Brennstoffzellen, festgehalten wird, wodurch eine hohe leitfähigkeit In den lonenaustauschmembran en dieser Zellen bei erhöhten Temperaturen aufrechterhalten wird.

Die Zelle 31 der Figur 2 arbeitet im wesentlichen in der gleichen Weise, wie es in Verbindung mit der in Figur schematisoh gezeigten Zelle beschrieben wurde«

Die folgenden Beispiele erläutern die Durchführung der Erfindung·
Beispiel 1

Es wurden Ionenaustauschmembranen gemäß der Erfindung hergestellt, indem zuerst ein Gemisch aus einem Teil Zirkonphosphat und 0,5 Teilen Kieselsäure gebrochen wurde_e Das' erhaltene körnige Gemisch wurde getrocknet und dann zu Scheiben mit einem Durohmesser von 5 cm und einer Dicke von

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etwa 0,76 cm durch Anwendung von Drucken in der Größenordnung von etwa 13,7 Tonnen gepreßt« Die auf diese Weise gebildeten Scheiben wurden dann in einem elektrischen Ofen bei etwa 300⁰C etwa 24 Stunden gesintert·

Ein Vergleich der Leitfähigkeit dieser Ionenaustausch— membranen mit in der gleichen,Weise wie oben hergestellten •Ionenaustauschmembranen, bei denen nur Zirkonphosphat verwendet wurde, ist aus den Ergebnissen der Tabelle I zu entnehmen«,

Tabelle I
Temperatur Art der Membran Spez. Widerstand (Ohm—cm) 115⁰C Zirkonphosphat 3 000 110⁰C Zirkonphosphat und

Kieselsäure ' 3o

Der spezifische Widerstand (als Maß für die Leitfähigkeit) der in der obigen Tabelle aufgeführten Ionenaustausehmembranen wurde mit Hilfe einer Wechselstromanordnung unter Verwendung von platinisierten Platinelektroden und eines Wechselstroms von 1 000 Hertz gemessen· Die Vorrichtung wurde so aufgebaut, daß Temperatur- und !Feuchtigkeitsmessungen vorgenommen werden konnten·

Wie aus Tabelle I ersichtlich, ist der spezifische Widerstand der Ionenaustauschmembran gemäß.dea*Erfindung, bei der ein Feuchthaltemittel, ζ·Β. Kieselsäure, verwendet wurde, bei erhöhten Temperaturen von über 100°0 merklich

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kleiner als der Widerstand einer gleichartigen, jedoch kein Feuchthaitemittel enthaltenden Ionenaustausehmembran» Die erfindungsgemäße Ionenaustauschmembran, die Kieselsäure als Feuehthaltemittel enthält, kann in einer Brennstoffzelle der oberi beschriebenen und in Figur 2 der Zeichnung gezeigten Art, z_eB« einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, Wirksam verwendet werden, wobei die entstehende Brennstoffzelle eine gute Leitfähigkeit und Betriebswirksamkeit bei erhöhten Temperaturen von etwa 100 C und darüber aufweist.

Beispiel 2

Erfindungsgemäße Ionenaustauschmembranen wurden in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise hergestellt, wobei 1 Teil Zirkonoxydhydrat und 0,5 Teile Phosphorpentoxyd verwendet wurden«

Ähnlich wie bei den in der obigen Tabelle I aufgezeigten Ergebnissen besitzt die Phosphorpentoxyd als Feuchthaltemittel enthaltende. Ionenaustauschmembran eine wesentlieh größere Leitfähigkeit, und- dementsprechend einen wesentlich geringeren spezifischen Widerstand in der in Tabelle I aufgeführten Größenordnung, verglichen mit allein aus Zirkonoxydhydrat hergestellten.,: ansonsten gleichen Ionenaustauschmejnbranen· _t -_u _{yöa r}'; r ' ■

Ionenaustauschmembran gemäß der Erfindung

'original inspected

β.οδ.«.αβ/θ7θβ ο ^ C-

hergestellt, indem 1 Teil Zirkonoxy-d, 1 Teil· konzentrierte Phosphorsäure (85 $ige Η,ΡΟ,) und 1 Teil Zeolon , (ein.Alu^iosilikat) vermischt und granuliert wurden* Das Gemisch^wurde mehrere Stunden bei erhöhter Temperatur getrocknet und ·,;,■{/ dann unter Anwendung eines Druckes von 13,6 Tonnen, zu .-;. Scheiben mit einem Durchmesser von, 5 cm und einer DiQke.von 0,5 cm gepreßt und etwa 24 Stunden bei 300 C gesinterte ₌ Der elektrische spezifische Widerstand der alumosilikathaltigen Zirkonphosphatmembran beträgt 7 Ohm-em bei 90°C und 95 $> relativer Feuchtigkeit,, Eine in der oben beachrie*. benen Weise hergestellte Membran, bei der 1 Teil Zifed und 1 Teil konzentrierte Phosphorsäure verwendet und das-^{f ?} ' Alumosilikat-leuchthaltemittel weggelassen wurde_? hatte.^;, ο einen wesentlich höheren spezifischen Widerstand (geringere Leitfähigkeit )·- unt er den ^r ob en ahgegeb enen gl ei chen T emperatur- und FeuQhtigkeits'bedingungen', verglichen mit dem niedrigen Widers taadswerir von nur 7 Ohm-cm für die erfindungsgemäi3e Ioaenaustauschmembranο Die Zeolon als Peuchthaltemittel enthaltende erfindungsgemäße Ionenaustauschmeinbran kann in eine Brennstoffzelle der oben beschriebenen und in Figur 2 der Zeichnung erläuterten Art eingebaut werden, ζ·Β_ο einer Brennstoff zelle, die mit Kohlenwass erst off-Brennstoffen wiö'Propan betrieben wird, wobei eine Brennstoffzelle mit güter Leitfähigkeit und Betriebswirksamkeit bei hohen Betriebstemperaturen von etwa 150 bis etwa 200⁰C erhalten wird«

t\ r\. rt t\ η r\ / λ ri λ λ

Beispiel 4

In der in Beispiel 3 beschriebenen Weise wurden Ionenaustausohmembranen hergestellt, die an Stelle von Zeolon kolloidale Kieselsäure in einem Fall und Calciumchlorid im anderen Fall enthielten,. Diese beiden Ionenaustausohmembranen wurden auf elektrische Leitfähigkeit (spezifischen Widerstand) geprüft j die Ergebnisse sind in Tabelle II aufgeführt:

Tabelle II

Zirkonpho sphat-Ionenaustausohmembranen plus Spez* Widerstand (Ohm-em)

Kolloidale Kiesel- 80 bei 65°C, 75 $ rel.Feuehtigkeit säure

Calciumchlorid 100 bei 65⁰C, 75 # rel.Feuchtigkeit

Eine gleichartige Zirkonphosphat-Ionenaustauschaeebrsa ohne kolloidale Kieselsäure oder Calciumchlorid hatte einen wesentlich höheren spezifischen Widerstand als die Membranen der Tabelle II unter den gleichen in Tabelle II angegebenen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen·

Beispiel 5

Fach dem oben beschriebenen Verfahren des Beispiels wurde eine Ionenaustauschmembran hergestellt, wobei als Ionenaustausch-Ausgangsmaterialien 1 Teil Tonerde, 1 Töil konzentrierte Phosphorsäure und 1 Teil Aluminiumsulfat als Feuchthaltemittel verwendet wurden. Es wurde eine Ionen— austauechaembran gebildet, die einen wesentlich geringeren

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spezifIschen Widerstand aufwies als eine gleichartige Ionenaustauschmembran, die ohne Zusatz von Aluminiumsulfat hergestellt worden var,

Beispiel 6

In der in Beispiel 1 "beschriebenen Weise wurden Ionenaustauschmembranen hergestellt, bei denen 1 Teil Cadmiumhydroxyd und 0,5 Teile aktivierter Tonerde verwendet wurden«

Bie erhaltenen Ionenaustausehmembranen hatten bei Temperaturen in der Größenordnung von 100°C eine wesentlich höhere leitfähigkeit, verglichen mit allein aus Cadmiumhy— droxyd hergestellten, ansonsten gleichartigen Ionenaus—

tauschmembranen«

Beispiel 7

Aus den folgenden Massen wurden weitere Ionenaustauschmembran en gemäß der Erfindung nach dem Verfahren des Beispiels 1 hergestellt«

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Tabelle III Bestandteile

A· Zirkonphosphat 85

Phosphorpentoxyd 15

B· Zirkonoxydhydrat 40

Alumtfsilikiat 60

C. Titanoxydhydrat 60

Kupfersulfat 40

D· Molybdänoxydhydrat 75

Aluminiumsulfat 25

E· Kupferhydroxyd 35

Kolloidale Kieselsäure 65

F. Zirkonoxydhydrat 95

Kupferchlorid 5

G₉ Zinkhydroxyd 60

Kieselgel 40

Die aus den obigen Ansätzen hergestellten Ionenaus tauschmembranen hatten eine hohe Leitfähigkeit, die, ausgedrückt als spezifischer Widerstand, im allgemeinen unter etwa 100 Ohm-cm bei Temperaturen von etwa 100⁰C liegt.

Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, daß die Erfindung verbesserte Ionenaustauschmembranen vorschlägt, die besonders für Brennstoffzellen geeignet sind und die Mittel in Form von wasserbindenden oder Feucht-

haltemitteln enthalten, die eine hohe Leitfähigkeit der lonenaustauschmembranen während¹ des Betriebs der Brennstoffzelle, insbesondere bei erhöhten Temperaturen in der Größenordnung von 100⁰C wt& darüber, aufrechterhalten.

Selbstverständlich können vom Fachmann Änderungen und Modifizierungen der Erfindung vorgenommen werden, ohne daß dadurch der Erfindungsbereieh verlassen wird; die Erfindung ist dadurch nicht begrenzt, ausgenommen durch den IMfang der folgenden Patentansprüche»

— Patentansprüche —

ORIGINAL INSPECTED

Claims

Pat entansprüche:

1· Ionenaustauschmembran, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem iqnenleitenden Material und einer Substanz besteht, die eine genügende Menge Wasser festzuhalten vermag und für einen geeigneten Wasserdampfdruck bei einer bestimmten Temperatur sorgt, so daß die ionische Leitfähigkeit des Materials bei dieser Temperatur wesentlich erhöht wird«

2· Ionenaustauschmembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ionenleitende Material anorganisch ist,

3· Ionenaustauschmembran nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzsubstanz so beschaffen ist, daß sie für einen geeigneten Wasserdampf druck bei Temperaturen von über etwa 1OO°C sorgt«

4· Ionenaustauschmembran nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Feuchthaltemittel (water balancing agent) in einer Menge von etwa 1 bis etwa 80 Gew,-der Masse zugegen ist«

5· Ionenaustauschmembran nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Feuchthaltemittel in einer Menge von etwa 5 bis etwa 50 Gew«~^ der Masse zugegen ist*

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6o lonenaustauschmembran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das ionenleitende Material aus unlöslichen Metalloxydhydraten, unlöslichen Metallhydroxyden oder wasserunlöslichen sauren Salzen bestehto

7ο lonenaustauschmembran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzsubstanz eine genügende Menge Wasser festzuhalten vermag und für einen Wasserdampfdruck von etwa 10 bis etwa 200 mm bei Temperaturen von über etwa 100°C sorgt, wenn die Membran in eine Brennstoffzelle eingebaut ist_e

8_O lonenaustauschmembran nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch 'gekennzeichnet, daß die Zusatzsubstanz eine genügende Menge Wasser festzuhalten vermag und für einen Wasserdampfdruck von etwa 400 bis etwa 750 mm bei Temperaturen von etwa 150 bis etwa 200 C sorgt _f wenn die Membran in eine Brennstoffzelle eingebaut ist»

3* lonenaustauschmembran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzsubstanz aus Kieselsäure, Alumosilikat, Phosphorpentoxyd, Aluminiumsulfat, Kupfersulfat, kolloidaler Kieselsäure, Kieselgel, aktivierter Tonerde, saurem Ammoniumphosphat oder Calciumchlorid bestehtc

10.

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10ο Ionenaustauschmembran nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß diese Substanz in einer Menge von etwa 5 bis etna 50 Gew.-$ der Masse zugegen ist.

11. Ionenaustauschmembran nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus einem unlöslichen Metalloxydhydrat und aus etwa 1 bis etwa 80 Gew.-$,bezogen auf das Gewicht der Masse, Kieselsäure besteht.

12. Ionenaustauschmembran nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet, daß das Oxyd aus Zirkonoxydhydrat besteht.

13· Ionenaustauschmembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus Zirkonphosphat und aus etwa 1 bis etwa 80 Gew.-$, bezogen auf das Gewicht der Masse, Kieselsäure besteht«

14. Ionenaustauschmembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus einem unlöslichen Metalloxydhydrat und aus etwa 1 bis etwa 80 Gewo-$, bezogen auf das Gewicht der Masse, eines AlumoSilikats besteht.

15. Ionenaustauschmembran nach Anspruch 14»dadurch gekennzeichnet, daß das Oxyd aus Zirkonoxydhydrat besteht.

16. Ionenaustauschmembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus Zirkonphosphat und aus etwa 5 bis etwa 50 Gew.-$, bezogen auf das Gewicht der Masse, eines Alumosilikats besteht.

17. Ionenaustauschmembran nach Anspruch 1, dadurch

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gekennzeich.net, daß das Material aus Zirkonphosphat und aus etwa 5 "bis etwa 50 Gew. -$, "bezogen auf das Gewicht der Masse, eines Alumosilikats besteht.

18. Ionenaustauschmembran nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung in Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran eine zusammengepreßte gesinterte Form aufweist.

19. Brennstoffzelle, bestehend aus einem Paar Katalysatorelektroden und einer zwischen den Elektroden befindlichen Ionenaustauschmembran, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenaustauschmembran aus einem ionenleitenden Material und einer Substanz besteht, die eine genügende Menge Wasser zurückzuhalten vermag und bei einer bestimmten Temperatur für einen geeigneten Wasserdampfdruck sorgt, so daß die ionische Leitfähigkeit des Materials bei dieser Temperatur wesentlich erhöht wird.

20. Brennstoffzelle nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet; daß die Substanz für einen geeigneten Wasserdampfdruck bei Temperaturen von über etwa 100⁰C sorgt.

21. Brennstoffzelle nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet 5 daß das Feuchthalt ©mittel in einer Menge von etwa 1 bis etwa 80 Gew_e-$ der Masse zugegen ist.

22. Brennstoffzelle nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet , daß das Mittel eine genügende Menge Wasser festzuhalten vermag und für einen Wasserdampfdruck von etwa

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10 "bis etwa 200 mm bei Temperaturen von über etwa 10O⁰C
sorgt.

23. Brennstoffzelle nach Anspruch 21, dadurch
gekennzeichnet, daß das Mittel eine genügende Menge Wasser festzuhalten vermag und für einen Wasserdampfdruck von etna 400 bis etwa 750 mm bei Temperaturen von etwa 150 bis etwa 200⁰C sorgt.

24· Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 19
bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenaustauschmembran ein anorganisches Ionenaustauschmaterial enthält, das aus unlöslichen Metalloxydhydraten, unlöslichen Metallhydroxyden oder unlöslichen sauren Salzen bestehen kann.

25. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 19
bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Feuchthaltemittel
aus Kieselsäure, einem Alumosilikat, Phosphorpentoxyd, Aluminiumsulfat, Kupfersulfat, kolloidaler Kieselsäure, aktivierter Tonerde, saurem Ammoniumphosphat oder Calciumchlorid besteht.

26. Brennstoffzelle nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenaustauschmembran die Form einer zusammengepreßten gesinterten Membran aufweist, die aus
Zirkonphosphat und etwa 1 bis etwa 80 Gew.-^, bezogen auf
das Gewicht der Masse, Kieselsäure besteht.

27. Brennstoffzelle nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die lonenaustauschmembran die Form einer

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zusammengepreßten gesinterten Membran aufweist, die aus Zirkonphosphat und etwa 1 bis· etwa 80 Gew.-^, bezogen auf das Gewicht der Masse, eines AlumoSilikats besteht.

28. Brennstoffzelle nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenaustauschmembran die Form einer zusammengepreßten, gesinterten Membran aufweist, die aus Zirkonoxydhydrat und etwa 1 bis etwa 80 Gew_e-$, bezogen auf das Gewicht der Masse, Kieselsäure besteht.

29« Brennstoffzelle nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenaustauschmembran die Form einer zusammengepreßten, gesinterten Membran aufweist, die aus Zirkonoxydhydrat und etwa 1 bis etwa 80 Gew.-^, bezogen auf das Gewicht der Masse, eines Alumosilikats besteht.

30, Ionenaustauschmembran, die wie unter Hinweis auf die anliegenden Zeichnungen hierin beschrieben, aufgebaut und betrieben wird.

31. Brennstoffzelle, die, wie unter Hinweis auf die anliegenden Zeichnungen hierin beschrieben, aufgebaut ist und beschrieben wird.

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Dr.Pa/Wr

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