EP2404342A1 - Verbesserte membran-elektrodeneinheiten - Google Patents

Verbesserte membran-elektrodeneinheiten

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EP2404342A1
EP2404342A1 EP10708498A EP10708498A EP2404342A1 EP 2404342 A1 EP2404342 A1 EP 2404342A1 EP 10708498 A EP10708498 A EP 10708498A EP 10708498 A EP10708498 A EP 10708498A EP 2404342 A1 EP2404342 A1 EP 2404342A1
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EP
European Patent Office
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gas diffusion
layer
diffusion layer
membrane electrode
polytetrafluoroethylene
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10708498A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oemer Uensal
Sigmar BRÄUNINGER
Werner Urban
Jennifer Dahl
Lucas Montag
Stefan Herzog
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BASF SE
Original Assignee
BASF SE
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Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
Priority to EP10708498A priority Critical patent/EP2404342A1/de
Publication of EP2404342A1 publication Critical patent/EP2404342A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to improved membrane electrode assemblies comprising two electrochemically active electrodes separated by a polymer electrolyte membrane.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • Prominent example is National® by DuPont de Nemours, Willmington USA.
  • Proton conduction requires a relatively high water content in the membrane, typically 4-20 molecules of water per sulfonic acid group.
  • the necessary water content but also the stability of the polymer in conjunction with acidic water and the reaction gases hydrogen and oxygen, limits the operating temperature of the PEM fuel cell stacks at 80-100 0 C. Higher operating temperatures can not be realized without a loss of performance of the fuel cell.
  • the membrane dries completely and the fuel cell no longer supplies electrical energy as the resistance of the membrane increases to such high levels that no appreciable current flow occurs.
  • BESTATIGUNGSKOPIE be operated above 100 0 C, the waste heat made much better usable and thus the fuel cell system efficiency can be increased.
  • membranes with new conductivity mechanisms are generally used, in particular membranes based on polyazoles. Such membranes are described in detail, for example, in DE 10 2005 038195.
  • membrane-electrode assemblies which can be used in fuel cells.
  • the membrane-electrode assemblies are intended to comprise two gas diffusion layers, each in contact with a catalyst layer separated by the polymer electrolyte membrane.
  • planar, electrically conductive and acid-resistant structures are used, such.
  • graphite fiber papers carbon fiber papers, graphite fabric and / or papers that have been made conductive by the addition of carbon black.
  • the catalyst layers are intended to catalytically active substances, such as. B. noble metals of the platinum group, i. Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru, or also the precious metals Au and Ag.
  • the metals may optionally on a support material such.
  • As carbon which are used in particular in the form of carbon black, graphite or graphitized carbon black.
  • the catalytically active layers further additives such.
  • fluoropolymers especially polytetrafluoroethylene (PTFE), proton-conducting ionomers and surface-active substances include.
  • the preparation of such electrodes is usually carried out using a catalyst ink comprising a catalyst noble metal, such. B. platinum, on a carrier material, such as. Carbon black, a binder and hydrophobizing agent such as PTFE, a surfactant and a thickening agent such as methyl cellulose.
  • a catalyst ink comprising a catalyst noble metal, such. B. platinum, on a carrier material, such as. Carbon black, a binder and hydrophobizing agent such as PTFE, a surfactant and a thickening agent such as methyl cellulose.
  • the electrode catalyst used usually reacts acidically, so that the catalyst ink has an acidic pH with the components mentioned. This has the consequence that PTFE flocculates from the composition, since the PTFE particles can only be stabilized alkaline.
  • the surfactant by sintering at higher temperatures, usually greater than 300 0 C, decomposed and the binder annealed. However, these high temperatures have been shown to damage catalyst activity.
  • the microporous layer is obtained by applying carbon black and a hydrophobing agent to the top and bottom sides of the macroporous gas diffusion layer.
  • the purpose of the microporous layer is to provide the proper pore structure and hydrophobicity to bring a catalyst layer to the membrane-facing side and to allow better gas transport and better water removal from the catalyst layer and to reduce the electrical contact resistance to the catalyst layer.
  • the gas diffusion layers are tested using a Nafion® membrane at 80 0 C, which at the top and the bottom with a homogeneous perfluoro polymer (PF) / C mixture was coated.
  • PF perfluoro polymer
  • such systems lead due to the small pores on the back of the gas diffusion layer at operating temperatures above 100 0 C to problems and a decrease in performance.
  • the passage air permeability at 200 Pa according to the test standard EN ISO9237 is less than 5 l / m 2 s.
  • the object of the present invention was therefore to provide an improved MEU and fuel cells operated therewith, which should preferably have the following properties:
  • the cells should show a long service life at temperatures above 100 ° C.
  • the single cells should show consistent or improved performance at temperatures above 100 ° C for a long time. • In this case, the fuel cells should have a high quiescent voltage and a low gas penetration (gas crossover) after a long period of operation.
  • the fuel cells should be able to be used in particular at operating temperatures above 100 ° C. and do without additional fuel gas moistening.
  • the membrane-electrode assemblies should be able to withstand permanent or alternating pressure differences between anode and cathode.
  • the fuel cell should have a high voltage even after a long time and be operated at low stoichiometry.
  • the MEE should be robust against different operating conditions (T, p, geometry, etc.) to increase overall reliability.
  • membrane-electrode assemblies with all features of claim 1. Furthermore, a particularly advantageous method for producing such membrane-electrode assemblies and particularly useful applications under protection.
  • the present invention accordingly provides a membrane electrode unit comprising at least one phosphoric acid-containing polymer electrolyte membrane and at least one gas diffusion electrode, the gas diffusion electrode comprising: i. at least one catalyst layer and ii. at least one gas diffusion medium, comprising at least two gas diffusion layers, Wherein the first gas diffusion layer comprises an electrically conductive macroporous layer in which the pores have an average pore diameter in the range of 10 ⁇ m to 30 ⁇ m,
  • the second gas diffusion layer comprising an electrically conductive macroporous layer, wherein the pores have a mean pore diameter in the range of 10 microns to 30 microns,
  • the gas diffusion medium contains polytetrafluoroethylene, wherein the first gas diffusion layer has a higher polytetrafluoroethylene concentration than the second gas diffusion layer.
  • Polymer-electrolyte membranes suitable for the purposes of the present invention are known per se and are described in particular in US Pat. No. 5,525,436, DE-A-101 17 687, DE-A-101 10 752, DE-A-103 31 365, DE-A -100 52,242, US 2008160378, US 2008233435, DE-U-20217178 and Handbook of Fuel Cells - Fundamentals and Technology and Applications, Vol. 3, Chapter 3, High Temperature Membranes, JS Wainright, MH Litt and RF Savinell.
  • polymer electrolyte membranes containing phosphoric acid are used.
  • the membranes may inter alia by swelling of sheet materials, such as a polymer film, with a liquid comprising phosphoric acid or phosphoric acid-releasing compounds, or by preparing a mixture of polymers and phosphoric acid-containing or phosphoric acid-releasing compounds and then forming a membrane Forming a sheet article and subsequent solidification to form a membrane can be generated.
  • Suitable polymers include polyolefins such as poly (chloroprene), polyacetylene, polyphenylene, poly (p-xylylene), polyarylmethylene, polystyrene, polymethylstyrene, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyvinyl ether, polyvinylamine, poly (N-vinylacetamide), polyvinylimidazole, Polyvinylcarbazole, polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyridine, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, copolymers of PTFE with hexafluoropropylene, with perfluoropropyl vinyl ether, with trifluoronitrosomethane, with carbalkoxy perfluoroalkoxy vinyl ether, polychlorotrifluoroethylene, polyvinyl fluoride, Polyvinylidene flu
  • Polymers with C-O bonds in the main chain for example polyacetal,
  • Polyhydroxyacetic acid Polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate,
  • Polycaprolactone polymalonic acid, polycarbonate
  • Polymers with C-S bonds in the main chain for example polysulfide ethers,
  • Polymers with C-N bonds in the main chain for example polyimines,
  • Polyisocyanides polyetherimine, polyetherimides, polyaniline, polyaramides,
  • Polyamides Polyamides, polyhydrazides, polyurethanes, polyimides, polyazoles,
  • Polysilicic acid Polysilicates, silicones, polyphosphazenes and polythiazyl.
  • the basic polymer in the meaning of the present invention, it is preferable to use a basic polymer having at least one nitrogen atom in a repeating unit.
  • the repeating unit in the basic polymer according to a preferred embodiment contains an aromatic ring having at least one nitrogen atom.
  • the aromatic ring is preferably a five- or six-membered ring having one to three nitrogen atoms which may be fused to another ring, especially another aromatic ring.
  • high temperature stable polymers which contain at least one nitrogen, oxygen and / or sulfur atom in one or in different repeat units.
  • High temperature stability in the context of the present invention is a polymer which can be operated as a polymeric electrolyte in a fuel cell at temperatures above 120 0 C permanently. Permanently means that a membrane according to the invention for at least 100 hours, preferably at least 110 0 C, preferably at least 120 0 C, more preferably at least 160 0 C can be operated without the performance, according to the in WO 01/18894 A2 method can be measured by more than 50%, based on the initial power decreases.
  • Blends which contain polyazoles and / or polysulfones are particularly preferred.
  • the preferred blend components are polyethersulfone, polyetherketone and polymers modified with sulfonic acid groups, as described in German patent application DE-A-100 52 242 and DE-A-102 45 451.
  • the use of blends can improve mechanical properties and reduce material costs.
  • a particularly preferred group of basic polymers are polyazoles.
  • a basic polymer based on polyazole contains recurring azole units of the general formula (I) and / or (II) and / or (III) and / or (IV)
  • Ar are identical or different and stand for a tetravalent aromatic or heteroaromatic group which can be mononuclear or polynuclear
  • Ar 1 are identical or different and represent a divalent aromatic or heteroaromatic group which can be mononuclear or polynuclear
  • Ar 2 are identical or are different and represent a two or trivalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • Ar 3 are the same or different and are a trivalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • Ar 4 is the same or are different and represent a trivalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • Ar 5 are the same or different and represent a four-membered aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • Ar 1 are identical or different and represent a divalent aromatic or heteroaromatic group which can be mononuclear or polynu
  • X is the same or different and is oxygen, sulfur or a
  • Amino group which carries a hydrogen atom, a 1-20 carbon atoms group, preferably a branched or unbranched alkyl or alkoxy group, or an aryl group as a further radical n is an integer greater than or equal to 10, preferably greater than or equal 100.
  • Preferred aromatic or heteroaromatic groups are derived from benzene, naphthalene, biphenyl, diphenyl ether, diphenylmethane, diphenyldimethylmethane, bisphenone, diphenylsulfone, quinoline, pyridine, bipyridine, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, triazine, tetrazine, pyrol, pyrazole, anthracene, benzopyrrole, benzothazole, Benzooxathiadiazole, benzooxadiazole, benzopyridine, benzopyrazine, benzopyrazidine, benzopyrimidine, benzopyrazine, benzotriazine, indolizine, quinolizine, pyridopyridine, imidazopyrimidine, pyrazinopyrimidine, carbazole, aciridine, phenazine, benzoquinoline,
  • the polyazoles can also have different recurring units which differ, for example, in their radical X. Preferably, however, it has only the same X radicals in a repeating unit.
  • polyazole polymers are polyimidazoles, polybenzothiazoles, polybenzoxazoles, polyoxadiazoles, polyquinoxalines, polythiadiazoles, poly (pyridines), poly (pyrimidines), and poly (tetrazapyrenes).
  • the polymer containing recurring azole units is a polyazole which contains only units of the formula (I) and / or (II).
  • the number of repeating azole units in the polymer is preferably an integer greater than or equal to 10.
  • Particularly preferred polymers contain at least 100 recurring azole units.
  • the polyazoles used, but especially the polybenzimidazoles are characterized by a high molecular weight. Measured as intrinsic viscosity, this is at least 0.2 dl / g, preferably 0.8 to 10 dl / g, in particular 1 to 10 dl / g.
  • a polymer preferably a polyazole
  • polar, aprotic solvents such as, for example, dimethylacetamide (DMAc)
  • DMAc dimethylacetamide
  • the film thus obtained can be treated with a washing liquid as described in German Patent Application DE-A-101 09 829.
  • the cleaning of the polyazole film from solvent residues described in the German patent application surprisingly improves the mechanical properties of the film. These properties include in particular the modulus of elasticity, the tear strength and the fracture toughness of the film.
  • the polymer film may have further modifications, for example by crosslinking, as described in German patent application DE-A-101 10 752 or in WO 00/44816.
  • the polymer film used comprising a basic polymer and at least one blend component additionally contains a crosslinker, as described in German Patent Application DE-A-101 40 147.
  • the thickness of the Polyazolfolien can be within a wide range.
  • the thickness of the Polyazolfolie prior to doping with acid in the range of 5 microns to 2000 microns, more preferably in the range of 10 .mu.m to 1000 .mu.m, without this being a restriction.
  • these films are doped with a phosphoric acid.
  • the degree of doping can influence the conductivity of the polyazole membrane.
  • the conductivity increases with increasing concentration of dopant until a maximum value is reached.
  • the degree of doping is given as mol of acid per mole of repeat unit of the polymer. In the context of the present invention, a degree of doping between 3 and 50, in particular between 5 and 40, is preferred.
  • the concentration of the phosphoric acid is at least 50% by weight, in particular at least 80% by weight, based on the weight of the doping agent.
  • proton conductive membranes can also be obtained by a process comprising the steps
  • step II heating the solution, obtainable according to step A), under inert gas to temperatures of up to 400 0 C,
  • doped polyazole films can be obtained by a process comprising the steps
  • step B) applying a layer using the mixture according to step A) on a carrier or on an electrode
  • step B heating of the sheet / layer, obtainable according to step B), under inert gas to temperatures of up to 350 ° C, preferably up to 280 0 C to form the polyazole polymer.
  • step D) treatment of the membrane formed in step C) (until it is self-supporting).
  • step A The aromatic or heteroaromatic carboxylic acid and tetraamino compounds to be used in step A) have been described above.
  • the polyphosphoric acid used in step A) are commercially available polyphosphoric acids, as are obtainable, for example, from Riedel-de Haen.
  • the polyphosphoric acids H n + 2 P n O 3n + I (n> 1) usually have a content calculated as P 2 O 5 (acidimetric) of at least 83%.
  • P 2 O 5 acidimetric
  • the mixture produced in step A) has a weight ratio of polyphosphoric acid to sum of all monomers of 1: 10,000 to 10,000: 1, preferably 1: 1000 to 1000: 1, in particular 1: 100 to 100: 1, on.
  • the layer formation according to step B) takes place by means of measures known per se (casting, spraying, doctoring) which are known from the prior art for polymer film production.
  • Suitable carriers are all suitable carriers under the conditions as inert.
  • the solution may optionally be treated with phosphoric acid (concentrated phosphoric acid, 85%). This allows the viscosity to be adjusted to the desired value and the formation of the membrane can be facilitated.
  • the layer produced according to step B) has a thickness between 20 and 4000 ⁇ m, preferably between 30 and 3500 ⁇ m, in particular between 50 and 3000 ⁇ m.
  • the mixture according to step A) also contains tricarboxylic acids or tetracarboxylic acids, this results in a branching / crosslinking of the polymer formed. This contributes to the improvement of the mechanical property.
  • the treatment of the polymer layer produced according to step C) takes place in the presence of moisture at temperatures and for a time sufficient until the layer has sufficient strength for use in fuel cells.
  • the treatment can be carried out so far that the membrane is self-supporting, so that it can be detached from the carrier without damage.
  • step C) the flat structure obtained in step B) is heated to a temperature of up to 350 ° C, preferably up to 280 0 C and particularly preferably in the range of 200 0 C to 250 0 C.
  • the inert gases to be used in step C) are known in the art. These include in particular nitrogen and noble gases, such as neon, argon, helium.
  • step A) by heating the mixture from step A) to temperatures of up to 350 ° C., preferably up to 280 ° C., the formation of oligomers and / or polymers can already be effected. Depending on the selected temperature and duration, then the heating in step C) can be omitted partially or completely.
  • This variant is also the subject of the present invention.
  • the treatment of the membrane in step D) is carried out at temperatures above 0 ° C and below 150 0 C, preferably at temperatures between 10 0 C and 120 0 C, in particular between room temperature (20 0 C) and 90 0 C, in the presence of moisture or water and / or water vapor and / or water-containing phosphoric acid of up to 85%.
  • the treatment is preferably carried out under normal pressure, but can also be effected under the action of pressure. It is essential that the treatment is carried out in the presence of sufficient moisture, whereby the present polyphosphoric acid contributes to the solidification of the membrane by partial hydrolysis to form low molecular weight polyphosphoric acid and / or phosphoric acid.
  • the hydrolysis liquid may be a solution, which liquid may also contain suspended and / or dispersed components.
  • the viscosity of Hydrolysis fluid can be in wide ranges, wherein for adjusting the viscosity, an addition of solvents or a temperature increase can take place.
  • the dynamic viscosity is preferably in the range from 0.1 to 10000 mPa * s, in particular from 0.2 to 2000 mPa * s, where these values can be measured, for example, in accordance with DIN 53015.
  • the treatment according to step D) can be carried out by any known method.
  • the membrane obtained in step C) can be immersed in a liquid bath.
  • the hydrolysis liquid can be sprayed on the membrane.
  • the hydrolysis liquid can be poured over the membrane.
  • the membrane electrode unit according to the invention further comprises at least one gas diffusion electrode.
  • the membrane electrode unit according to the invention further comprises at least one gas diffusion electrode.
  • two electrochemically active electrodes are used (anode and cathode), which are separated by the polymer electrolyte membrane.
  • electrochemically active indicates that the electrodes are capable of catalyzing the oxidation of hydrogen and / or at least one reformate and the reduction of oxygen, which may be achieved by coating the electrodes with catalytically active substances such as platinum and / or ruthenium
  • electrode means that the material is electrically conductive.
  • the electrode may optionally have a noble metal layer. Such electrodes are known and are described, for example, in US 4,191,618, US 4,212,714 and US 4,333,805.
  • Suitable catalytically active materials are preferably catalytically active metals. These are known to the person skilled in the art. Suitable catalytically active metals are generally selected from the group consisting of platinum, palladium, iridium, rhodium, ruthenium and mixtures thereof, more preferably platinum and / or ruthenium. In a most preferred embodiment, platinum alone or a mixture of platinum and ruthenium is used. It is also possible to use the polyoxymetalates known to the person skilled in the art.
  • the preferably used catalytically active metals or mixtures of different metals may optionally contain other alloying additives selected from the group consisting of cobalt, chromium, tungsten, molybdenum, vanadium, iron, copper, nickel, silver, gold, iridium, tin, etc., and mixtures thereof.
  • the at least one catalytically active material is applied to a suitable carrier material.
  • suitable support materials are known to the person skilled in the art, for example electron conductors selected from the group consisting of carbon black, graphite, carbon fibers, carbon nanoparticles, carbon foams, carbon nanotubes and mixtures thereof.
  • the anode catalyst has the highest possible resistance to poisoning by carbon monoxide. In such a case, preference is given to using platinum / ruthenium-based electrocatalysts.
  • the gas diffusion electrode to be used according to the invention comprises at least one gas diffusion medium and at least one catalyst layer. These are connected directly to one another within the scope of a first preferred embodiment of the present invention.
  • catalyst-coated polymer electrolyte membranes are used, which when combined with the gas diffusion medium form the gas diffusion electrode.
  • Gas diffusion media are known per se and are described, for example, in US 6,017,650, US 6,379,834 and US 6,165,636. They serve in particular for gas distribution, for water management, for power dissipation, for mechanical support and for heat conduction.
  • gas diffusion media usually planar, electrically conductive and acid-resistant structures are used. These include, for example, graphite fiber papers, carbon fiber papers, graphite fabrics and / or papers that made conductive by adding carbon black. Through these layers, a fine distribution of the gas and / or liquid streams is achieved.
  • gas diffusion media can be used which contain a mechanically stable support material, which with at least one electrically conductive material, for.
  • a mechanically stable support material which with at least one electrically conductive material, for.
  • electrically conductive material for.
  • carbon for example, carbon black
  • a binder for example, polymethyl methacrylate
  • electrically conductive particles such as metal particles, instead of the carbon or in addition to it.
  • Particularly suitable support materials for these purposes include fibers, for example in the form of nonwovens, papers or fabrics, in particular carbon fibers, glass fibers or fibers containing organic polymers, for example polypropylene, polyester (polyethylene terephthalate), polyphenylene sulfide or polyether ketones. Further details of such gas diffusion media can be found, for example, in WO 9720358.
  • the gas diffusion media preferably have a thickness in the range from 80 ⁇ m to 2000 ⁇ m, in particular in the range from 100 ⁇ m to 1000 ⁇ m and particularly preferably in the range from 150 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the gas diffusion media may contain conventional additives. These include, for example, surface-active substances.
  • At least one layer of the gas diffusion media may consist of a compressible material.
  • a compressible material is characterized by the property that the material can be pressed without loss of its integrity by pressure on half, in particular to one third of its original thicknesses.
  • This property generally includes gas diffusion layers of graphite fabric and / or paper rendered conductive by the addition of carbon black.
  • the gas diffusion medium comprises at least two gas diffusion layers,
  • the first gas diffusion layer comprising an electrically conductive macroporous layer, wherein the pores have a mean pore diameter in the range of 10 microns to 30 microns,
  • the second gas diffusion layer comprising an electrically conductive macroporous layer, wherein the pores have a mean pore diameter in the range of 10 microns to 30 microns,
  • gas diffusion medium contains polytetrafluoroethylene
  • the first gas diffusion layer has a higher concentration of polytetrafluoroethylene as the second gas diffusion layer.
  • the layers can be two isolated layers. Furthermore, the layers can also be present in a single medium, which is obtainable, for example, by partial application of polytetrafluoroethylene to one side of the gas diffusion medium.
  • the gas diffusion medium additionally contains at least one electrically conductive microporous layer in which the pores have an average pore diameter in the range of 100 nm to 500 nm.
  • the gas diffusion medium contains no such electrically conductive microporous layer.
  • the determination of the pore size can be done in this context according to known methods.
  • the arrangement of the gas diffusion layers is in principle arbitrary. However, a construction in which the second gas diffusion layer is arranged between the first gas diffusion layer and the catalyst layer has proven particularly useful. A construction in which the first gas diffusion layer is arranged between the second gas diffusion layer and the catalyst layer has also proven to be useful.
  • the concentrations of polytetrafluoroethylene in the two gas diffusion layers can be freely selected as long as the first gas diffusion layer has a higher polytetrafluoroethylene concentration than the second gas diffusion layer.
  • the fluorine concentration of the first gas diffusion layer is greater than 0.35 mg / cm 2 , more preferably greater than 0.40 mg / cm 2 , in particular greater than 0.5 mg / cm 2 .
  • the second gas diffusion layer preferably has a fluorine concentration of less than 0.30 mg / cm 2 , more preferably less than 0.23 mg / cm 2, in particular less than 0.2 mg / cm 2 .
  • the ratio of the fluorine concentration in the first gas diffusion layer to the fluorine concentration in the second gas diffusion layer is preferably greater than 1, 1: 1, favorably greater than 1, 5: 1, particularly preferably greater than 2: 1, expediently greater than 4: 1, in particular greater than 6: 1.
  • the ratio of the fluorine concentration to the carbon concentration in the first gas diffusion layer is preferably at least 0.7, more preferably at least 0.8, especially at least 0.9.
  • the determination of the fluorine concentration can be done in this context in a known per se.
  • SEM scanning electron microscopy
  • EPMA electron beam microarray analysis
  • EDXS Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy
  • US Pat Publication Ludwig Reimer Scanning Electron Microscopy: Physics of Image Formation and Microanalysis (Springer Series in Optical Sciences), Springer, Berlin; 2nd Edition; September 17, 1998 will be described in detail.
  • the first gas diffusion layer preferably comprises as few soot particles having a particle size smaller than 100 nm.
  • the first gas diffusion layer contains more than 30% by weight, suitably more than 50% by weight, favorably more than 75% by weight, more preferably more than 95% by weight, in particular 100 wt .-%, polytetrafluoroethylene, based on the Total weight of polytetrafluoroethylene and soot particles with a particle size less than 100 nm.
  • the thicknesses of the first and second gas diffusion layer can in principle be freely selected.
  • the thickness of the first gas diffusion layer is preferably greater than 1 .mu.m, more preferably greater than 5 .mu.m, advantageously greater than 10 .mu.m, in particular greater than 25 microns.
  • the thickness of the second gas diffusion layer is preferably greater than 1 ⁇ m, more preferably greater than 5 ⁇ m, advantageously greater than 10 ⁇ m, in particular greater than 25 ⁇ m.
  • Gas diffusion media in which the cross section of the first gas diffusion layer represents the first 5% to 30% of the gas diffusion medium, based on the total thickness of the gas diffusion medium, have proven particularly useful.
  • the thicknesses of the gas diffusion layers can be obtained in a manner known per se, in particular by means of a scanning electron microscope (SEM).
  • the catalyst layer or catalyst layers contain or contain catalytically active substances. These include, but are not limited to, noble metals of the platinum group, i. Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru, or the precious metals Au and Ag. It is also possible to use alloys of all the aforementioned metals. Further, at least one catalyst layer may contain alloys of the platinum group elements with base metals such as Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Zr, Ti, Ga, V, etc.
  • the gas diffusion electrode according to the present invention is used as the anode in a membrane electrode assembly for direct methanol, hydrogen / air or reformate / air fuel cells, it is preferred that the catalysts comprise platinum and / or ruthenium.
  • the catalysts comprise platinum, platinum iridium or platinum rhodium alloys.
  • the catalytically active particles comprising the aforementioned substances can be used as metal powder, so-called noble metal black, in particular in the form of platinum and / or platinum alloys. Such particles generally have a size in the range of 5 nm to 200 nm, preferably in the range of 7 nm to 100 nm.
  • the metals can also be used on a carrier material.
  • this support comprises carbon, which can be used in particular in the form of carbon black, graphite or graphitized carbon black.
  • electrically conductive metal oxides such as, for example, SnO x , TiO x , or phosphates, such as, for example, FePO x , NbPO x , Zr y (PO x ) z as carrier material.
  • the indices x, y and z denote the oxygen or metal content of the individual compounds, which may be in a known range, since the transition metals can assume different oxidation states.
  • the content of these supported metal particles is generally in the range of 1 wt .-% to 80 wt .-%, preferably 5 wt .-% to 60 wt .-% and particularly preferably 10% by weight to 50% by weight, without this being intended to limit it.
  • the particle size of the carrier in particular the size of the carbon particles, is preferably in the range from 20 nm to 1000 nm, in particular from 30 nm to 100 nm.
  • the size of the metal particles present thereon is preferably in the range from 1 nm to 20 nm, in particular 1 nm to 10 nm, and more preferably 2 nm to 6 nm.
  • the sizes of the different particles represent mean values and can be determined by transmission electron microscopy or powder X-ray diffractometry.
  • the catalytically active particles set forth above can generally be obtained commercially.
  • the catalytically active layer may contain conventional additives. These include fluoropolymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE), proton-conducting ionomers and surface-active substances.
  • fluoropolymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE), proton-conducting ionomers and surface-active substances.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the weight ratio of fluoropolymer to catalyst material comprising at least one noble metal and optionally one or more support materials, greater than 0.1, wherein this ratio is preferably in the range of 0.2 to 0.6.
  • the catalyst layer contains sulfonated polytetrafluoroethylene, and the proportion of sulfonated polytetrafluoroethylene in the catalyst layer is preferably in the range of 10 wt .-% to 300 wt .-%, based on the Total weight of the catalytically active material. This requires in particular an increased oxygen solubility in the cathode, in particular at a temperature greater than 100 ° C.
  • the content of unsulfonated polytetrafluoroethylene in the catalyst layer is advantageously less than 30% by weight, favorably less than 10% by weight, particularly preferably less than 1% by weight, in each case based on the total weight of the catalyst layer.
  • the content of unsulfonated polytetrafluoroethylene in the catalyst layer advantageously less than 100 wt .-%, advantageously less than 50 wt .-%, more preferably less than 1 wt .-%, each based on the total weight of sulfonated polytetrafluoroethylene in the catalyst layer.
  • the catalyst layer contains no unsulfonated.
  • Polytetrafluoroethylene Polytetrafluoroethylene.
  • the content of surfactants in the catalyst layer is advantageously less than 30 wt .-%, advantageously less than 10 wt .-%, more preferably less than 1 wt .-%, each based on the total weight of the catalyst layer.
  • the content of surfactants in the catalyst layer advantageously less than 100 wt .-%, advantageously less than 50 wt .-%, more preferably less than 1 wt .-%, each based on the total weight of sulfonated polytetrafluoroethylene in the catalyst layer
  • the catalyst layer contains no surfactants.
  • the catalyst layer preferably has a thickness in the range from 1 ⁇ m to 500 ⁇ m, in particular in the range from 5 ⁇ m to 250 ⁇ m, preferably in the range from 10 ⁇ m to 150 ⁇ m.
  • This value represents an average value that can be determined by measuring the layer thickness in the cross-section of images that can be obtained with a scanning electron microscope (SEM).
  • the noble metal content of the catalyst layer is 0.1 mg / cm 2 to 5.0 mg / cm 2 , preferably 0.3 mg / cm 2 to 4.0 mg / cm 2 and particularly preferably 0, 3 mg / cm 2 to 3.0 mg / cm 2 . These values can be determined by elemental analysis of a flat sample.
  • the production of the membrane electron unit according to the invention can be carried out in a manner known per se by joining the elements together.
  • a membrane electrode unit is preferably manufactured by hot pressing.
  • a gas diffusion electrode and a membrane preferably an ion exchange membrane, in particular a proton-conducting membrane, heated to a temperature in the range of 50 0 C to 200 0 C and pressed at a pressure in the range of 1 MPa to 10 MPa.
  • One A few minutes are generally sufficient to bond the catalyst layer to the membrane layer. This time is preferably in the range of 30 seconds to 10 minutes, in particular in the range of 30 seconds to 5 minutes.
  • the membrane electron unit is obtained by first applying a catalyst layer to the membrane to first prepare a catalyst-coated membrane (CCM) and then laminating the catalyst-coated membrane with a gas diffusion medium on a substrate.
  • CCM catalyst-coated membrane
  • the gas diffusion medium to be used in this case has the multilayer structure described above.
  • the gas diffusion medium has proven particularly useful 100 0 C annealing of step i) at temperatures greater than, iii.) a catalyst material on the gas diffusion medium of step ii) applies.
  • a temperature treatment at a temperature of less than 280 0 C, preferably in the range of 40 0 C to 250 0 C, in particular in the range of 60 0 C to less than 200 0 C.
  • the duration of the heat treatment is preferably in the range of 1 minute to 2 h elected.
  • the application of the catalyst material is preferably carried out using a catalyst ink comprising the catalytically active material and a binder, preferably sulfonated polytetrafluoroethylene.
  • the proportion of sulfonated polytetrafluoroethylene in the binder is preferably in the range of 30 wt .-% to 300 wt .-%, based on the total weight of catalytically active material in the catalyst ink.
  • the content of unsulfonated polytetrafluoroethylene in the binder is advantageously less than 100% by weight, preferably less than 50% by weight, more preferably less than 10% by weight, very particularly preferably less than 1% by weight, in particular 0% by weight.
  • the content of surfactants in the binder is advantageously less than 100 wt .-%, preferably less than 50 wt .-%, particularly preferably less 10 wt .-%, most preferably less than 1 wt .-%, in particular 0% by weight, based on the total weight of sulfonated polytetrafluoroethylene in the catalyst ink.
  • the membrane-electrode unit (MEU) according to the invention is particularly suitable for fuel cell applications, in particular for generating electricity at a temperature greater than 100 ° C.
  • individual fuel cells according to the invention can be easily stored or shipped due to their dimensional stability at fluctuating ambient temperatures and humidity. Even after prolonged storage or after shipment to places with significantly different climatic conditions, the dimensions of the single fuel cells are perfectly suited for installation in fuel cell stacks. The single fuel cell then no longer needs to be conditioned on-site for external installation, which simplifies fuel cell manufacturing and saves time and money.
  • An advantage of preferred single fuel cells is that they allow the operation of the fuel cell at temperatures above 120 0 C.
  • gaseous and liquid fuels such as hydrogen-containing gases, which are prepared for example in an upstream reforming step from hydrocarbons.
  • oxygen or air can be used as the oxidant.
  • Another advantage of preferred single fuel cells is that they have a high tolerance to carbon monoxide in operation above 120 0 C with pure platinum catalysts, ie without a further alloying ingredient. At temperatures of 160 ° C., for example, more than 1% of CO can be contained in the fuel gas, without this leading to a noticeable reduction in the power of the fuel cell.
  • Preferred single fuel cells can be operated in fuel cells without the need to humidify the fuel gases and oxidants despite the possible high operating temperatures.
  • the fuel cell is still stable and the membrane does not lose its conductivity. This simplifies the entire fuel cell system and brings additional Cost savings, as the management of the water cycle is simplified. Furthermore, this also improves the behavior at temperatures below 0 ° C. of the fuel cell system.
  • Preferred single fuel cells allow surprisingly that the fuel cell can be cooled to room temperature and below without any problems and then put back into operation without losing power.
  • conventional phosphoric acid-based fuel cells sometimes have to be kept at a temperature above 40 ° C when switching off the fuel cell system to avoid irreversible damage.
  • the fuel single cells according to the invention are characterized by improved temperature and corrosion resistance and a comparatively low gas permeability, especially at high temperatures. A decrease in the mechanical stability and the structural integrity, especially at high temperatures, according to the invention is best avoided.
  • the fuel single cells according to the invention can be produced inexpensively and easily.
  • GDL 1 H2315 IX11 CX45
  • GDL Teflon-impregnated gas diffusion layer
  • GDL Teflon-impregnated gas diffusion layer
  • the catalyst coated gas diffusion electrode was prepared by screen printing the catalyst formulation onto the microporous carbon (MPL) layer of a Teflon impregnated gas diffusion layer (GDL) (H2315 1X11 CX45) from Freudenberg.
  • MPL microporous carbon
  • GDL Teflon impregnated gas diffusion layer
  • a teflon-impregnated GDL with microporous carbon layer (MPL) from Freudenberg (H2315 1X11 CX45) was coated by spraying an additional 0.35 mg of teflon / cm 2 Teflon on the back (MPL side facing away) of the GDL material. It was then heated at 340 0 C for 2 hours.
  • MPL microporous carbon layer
  • the resulting GDL comprised a first macroporous gas diffusion layer (average pore size in the range of 10 microns to 30 microns) and a second macroporous gas diffusion layer (average pore size in the range of 10 .mu.m to 30 .mu.m), wherein the first macroporous gas diffusion layer has a higher polytetrafluoroethylene concentration than the second macroporous gas diffusion layer.
  • the catalyst coated gas diffusion electrode was then fabricated by screen printing on this GDL (MPL side).
  • the thicknesses and loadings of the GDE are listed in Table 1. Comparative sample 2:
  • Teflon GDL H2315 1x11 without MPL
  • Freudenberg was coated with an additional 0.29 mg Tef i o n / cm 2 on the Teflon provided for the application side catalyst by spraying. The sample was then tempered at 340 ° C. for 2 hours.
  • the resulting GDL comprised a first macroporous gas diffusion layer (average pore size in the range of 10 microns to 30 microns) and a second macroporous gas diffusion layer (average pore size in the range of 10 .mu.m to 30 .mu.m), wherein the first macroporous gas diffusion layer has a higher polytetrafluoroethylene concentration than the second macroporous gas diffusion layer.
  • the catalyst coated gas diffusion electrode was then fabricated by screen printing on this GDL.
  • the thicknesses and loadings of the GDE are listed in Table 1.
  • Teflon GDL H2315 1x11 without MPL
  • Freudenberg was treated with an additional 1, 45 mg Te fi o n / cm 2 Teflon coated on the particular for catalyst application side by spraying and then tempered C for 2 hours at 340 0 ,
  • the resulting GDL comprised a first macroporous gas diffusion layer (average pore size in the range of 10 microns to 30 microns) and a second macroporous gas diffusion layer (average pore size in the range of 10 .mu.m to 30 .mu.m), wherein the first macroporous gas diffusion layer has a higher polytetrafluoroethylene concentration than the second first macroporous gas diffusion layer.
  • the catalyst coated gas diffusion electrode (GDE) was then fabricated by screen printing on this GDL. The thicknesses and loadings of the GDE are listed in Table 1.
  • Teflon gas diffusion layer from Freudenberg (H2315 1x11 without MPL) was coated on both sides with in each case with 0.4 mg Tef i on / cm 2 Teflon by spraying and then tempered C for 2 hours at 34O 0th
  • the resulting GDL comprised a first macroporous gas diffusion layer (average pore size in the range of 10 microns to 30 microns) and a second macroporous gas diffusion layer (average pore size in the range of 10 .mu.m to 30 .mu.m), wherein the first macroporous gas diffusion layer has a higher polytetrafluoroethylene concentration than the second first macroporous gas diffusion layer.
  • the catalyst-coated gas diffusion electrode was then fabricated by screen printing (one-sided) on this GDL.
  • the thicknesses and loadings of the GDE are listed in Table 1.
  • MEAs Membrane Electrode Assemblies
  • GDEs anode and cathode equal
  • Celtec-P membranes thus produced.
  • the active area of the MEA was 45cm 2 .
  • the samples were incorporated into the cell block and then tested at 16O 0 C, using H 2 (anode stoichiometry 1, 2) and air (cathode stoichiometry 2).
  • H 2 anode stoichiometry 1, 2
  • air cathode stoichiometry 2
  • the performance of the samples at 0.6 A / cm 2 is compared in Table 2.

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Abstract

Membran-Elektrodeneinheit, umfassend mindestens eine Phosphorsäure-haltige Polymerelektrolytmembran und mindestens eine Gas-Diffusionselektrode, wobei die Gas-Diffusionselektrode umfasst: i. mindestens eine Katalysatorschicht und ii. mindestens ein Gasdiffusionsmedium, aufweisend mindestens zwei Gasdiffusionsschichten, ■ wobei die erste Gasdiffusionsschicht eine elektrisch leitende makroporöse Schicht umfasst, bei welcher die Poren einen mittleren Porendurchmesser im Bereich von 10 μm bis 30 μm aufweisen, ■ wobei die zweite Gasdiffusionsschicht eine elektrisch leitende makroporöse Schicht umfasst, bei welcher die Poren einen mittleren Porendurchmesser im Bereich von 10 μm bis 30 μm aufweisen, ■ wobei das Gasdiffusionsmedium Polytetrafluoroethylen enthält, ■ wobei die erste Gasdiffusionsschicht eine höhere Polytetrafluoroethylen- Konzentration aufweist als die zweite Gasdiffusionsschicht.

Description

Verbesserte Membran-Elektrodeneinheiten
Die vorliegende Erfindung betrifft verbesserte Membran-Elektrodeneinheiten, aufweisend zwei elektrochemisch aktive Elektroden, die durch eine Polymer- Elektrolyt-Membran getrennt werden.
In Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzellen werden heute als protonenleitende Membranen fast ausschließlich sulfonsäuremodifizierte Polymere eingesetzt. Dabei finden überwiegend perfluorierte Polymere Anwendung. Prominentes Beispiel hierfür ist Nation® von DuPont de Nemours, Willmington USA. Für die Protonenleitung ist ein relativ hoher Wassergehalt in der Membran erforderlich, der typischerweise bei 4 - 20 Molekülen Wasser pro Sulfonsäuregruppe liegt. Der notwendige Wassergehalt, aber auch die Stabilität des Polymers in Verbindung mit saurem Wasser und den Reaktionsgasen Wasserstoff und Sauerstoff, limitiert die Betriebstemperatur der PEM- Brennstoffzellenstacks auf 80 - 100 0C. Höhere Betriebstemperaturen können ohne einen Verlust an Leistung der Brennstoffzelle nicht realisiert werden. Bei Temperaturen, die für ein gegebenes Druckniveau, oberhalb des Taupunktes von Wasser liegen, trocknet die Membran komplett aus, und die Brennstoffzelle liefert keine elektrische Energie mehr, da der Widerstand der Membran auf so hohe Werte steigt, dass kein nennenswerter Stromfluss mehr erfolgt.
Aus systemtechnischen Gründen werden aber höhere Betriebstemperaturen als 100 0C in der Brennstoffzelle gewünscht. Die Aktivität der in der Membran- Elektroden-Einheit (MEE) enthaltenen Katalysatoren auf Edelmetallbasis ist bei hohen Betriebstemperaturen wesentlich besser.
Insbesondere bei der Verwendung von sogenannten Reformaten aus Kohlenwasserstoffen sind im Reformergas deutliche Mengen an Kohlenmonoxid enthalten, die üblicherweise durch eine aufwendige Gasaufbereitung bzw. Gasreinigung entfernt werden müssen. Bei hohen Betriebstemperaturen steigt die Toleranz der Katalysatoren gegenüber den CO-Verunreinigungen.
Des Weiteren entsteht Wärme beim Betrieb von Brennstoffzellen. Eine Kühlung dieser Systeme auf unter 800C kann jedoch sehr aufwendig sein. Je nach Leistungsabgabe können die Kühlvorrichtungen wesentlich einfacher gestaltet werden. Das bedeutet, dass in Brennstoffzellensystemen, die bei Temperaturen
BESTATIGUNGSKOPIE über 1000C betrieben werden, die Abwärme deutlich besser nutzbar gemacht und somit die Brennstoffzellensystem-Effizienz gesteigert werden kann.
Um diese Temperaturen zu erreichen, werden im Allgemeinen Membranen mit neuen Leitfähigkeitsmechanismen verwendet, insbesondere Membranen auf der Basis von Polyazolen. Derartige Membranen werden beispielsweise in der DE 10 2005 038195 ausführlich beschrieben.
In dieser Druckschrift wird auch die Herstellung von Membran-Elektroden- Einheiten erläutert, die in Brennstoffzellen eingesetzt werden können. Die Membran-Elektroden-Einheiten sollen zwei Gasdiffusionsschichten umfassen, die jeweils mit einer Katalysatorschicht in Kontakt stehen, die durch die Polymer- Elektrolyt-Membran getrennt werden.
Als Gasdiffusionsschichten werden in diesem Zusammenhang flächige, elektrisch leitende und säureresistente Gebilde eingesetzt, wie z. B. Graphitfaser-Papiere, Kohlefaser-Papiere, Graphitgewebe und/oder Papiere, die durch Zugabe von Ruß leitfähig gemacht wurden.
Die Katalysatorschichten sollen katalytisch aktive Substanzen, wie z. B. Edelmetalle der Platingruppe, d.h. Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru, oder auch die Edelmetalle Au und Ag, enthalten. Dabei können die Metalle ggf. auf einem Trägermaterial, wie z. B. Kohlenstoff, der insbesondere in Form von Ruß, Graphit oder graphitisierter Ruß, eingesetzt werden. Ferner ist es möglich, dass die katalytisch aktiven Schichten weitere Additive, wie z. B. Fluorpolymere, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE), protonenleitende lonomere und oberflächenaktive Substanzen, umfassen.
Die Herstellung derartiger Elektroden erfolgt üblicherweise unter Verwendung einer Katalysatortinte, die einen Katalysator Edelmetall, wie z. B. Platin, auf einem Trägermaterial, wie z. B. Ruß, einen Binder und Hydrophobiesierungsagens, wie z.B. PTFE, ein Tensid und ein Verdickungsmittel, wie z.B. Methylcellulose, enthält. Jedoch reagiert der eingesetzte Elektrodenkatalysator meist sauer, so dass die Katalysatortinte mit den genannten Komponenten einen sauren pH-Wert aufweist. Dies hat zur Folge, dass PTFE aus der Zusammensetzung ausflockt, da die PTFE-Partikel nur alkalisch stabilisiert werden können. Nach der Herstellung werden das Tensid durch Sintern bei höheren Temperaturen, meist größer 3000C, zersetzt und das Bindemittel getempert. Diese hohen Temperaturen schaden jedoch nachweislich der Katalysatoraktivität. Außerdem kann die Temperaturbehandlung zu einer Oxidation des Trägermaterials führen, welches wiederum die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Elektrode signifikant beeinträchtigen kann.
Aus der Publikation X. L. Wang et al. Micro-porous layer with composite carbon black for PEM fuel cells Electrochimica Acta 51 (2006) 4909-4915 sind Gasdiffusionsschichten für Brennstoffzellen bekannt, die eine makroporöse Gasdiffusionsschicht aus Kohlefaser-Papier oder Graphitgewebe und eine mikroporöse Schicht umfassen.
Dabei wird die mikroporöse Schicht erhalten, indem man Ruß und ein Hydrophobierungsmittel auf die Ober- und die Unterseite Seite der makroporösen Gasdiffusionsschicht aufbringt. Die Aufgabe der mikroporösen Schicht soll darin bestehen, die richtige Porenstruktur und Hydrophobizität bereitzustellen, um eine Katalysatorschicht auf die membrangerichteten Seite zu bringen und einen besseren Gastransport und eine bessere Wasserentfernung von der Katalysatorschicht zu ermöglichen und um den elektrischen Kontaktwiderstand zur Katalysatorschicht zu verringern.
Die Gasdiffusionsschichten werden unter Verwendung einer Nafion®-Membran bei 800C getestet, die auf der Ober- und der Unterseite mit einer homogenen perfluoro Polymer (PF)/C-Mischung beschichtet wurde. Derartige Systeme führen jedoch wegen der kleinen Poren auf der Rückseite der Gasdiffusionsschicht bei Betriebstemperaturen oberhalb 100 0C zu Problemen und zu einer Leistungsabnahme. So ist insbesondere die Durchgangsluftdurchlässigkeit bei 200 Pa gemäß der Testnorm EN ISO9237 kleiner als 5 l/m2s.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher, eine verbesserte MEE und damit betriebene Brennstoffzellen bereitzustellen, die vorzugsweise die folgenden Eigenschaften aufweisen sollten:
• Die Zellen sollten bei einem Betrieb bei Temperaturen über 1000C eine lange Lebensdauer zeigen.
• Die Einzelzellen sollten eine gleichbleibende oder verbesserte Leistung bei Temperaturen über 1000C über einen langen Zeitraum zeigen. • Hierbei sollten die Brennstoffzellen nach langer Betriebszeit eine hohe Ruhespannung sowie einen geringen Gasdurchtritt aufweisen (gas cross over).
• Die Brennstoffzellen sollten insbesondere bei Betriebstemperaturen oberhalb von 1000C eingesetzt werden können und ohne zusätzliche Brenngasbefeuchtung auskommen. Insbesondere sollten die Membran- Elektroden-Einheiten permanenten oder wechselnden Druckdifferenzen zwischen Anode und Kathode widerstehen können.
• Des Weiteren war es mithin Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Membran-Elektroden-Einheit zur Verfügung zu stellen, die einfach und kostengünstig hergestellt werden kann. Hierbei sollte insbesondere möglichst wenig von teuren Materialien eingesetzt werden.
• Insbesondere sollte die Brennstoffzelle auch nach langer Zeit eine hohe Spannung aufweisen und bei niedriger Stöchiometrie betrieben werden können.
• Insbesondere sollte die MEE robust gegen unterschiedliche Operationsbedingungen (T, p, Geometrie etc.) sein um die allgemeine Zuverlässigkeit zu erhöhen.
• Weiterhin sollte teures Edelmetall, insbesondere Platinmetalle, sehr effektiv ausgenutzt werden.
Weiterhin sollten Möglichkeiten zur möglichst einfachen, möglichst kostengünstigen und möglichst effektiven Herstellung derartiger MEEs aufgezeigt werden.
Gelöst werden diese Aufgaben durch Membran-Elektroden-Einheiten mit allen Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterhin werden ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung derartiger Membran-Elektroden-Einheiten und besonders zweckmäßige Anwendungen unter Schutz gestellt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend eine Membran- Elektrodeneinheit, umfassend mindestens eine Phosphorsäure-haltige Polymerelektrolytmembran und mindestens eine Gas-Diffusionselektrode, wobei die Gas-Diffusionselektrode umfasst: i. mindestens eine Katalysatorschicht und ii. mindestens ein Gasdiffusionsmedium, aufweisend mindestens zwei Gasdiffusionsschichten, ■ wobei die erste Gasdiffusionsschicht eine elektrisch leitende makroporöse Schicht umfasst, bei welcher die Poren einen mittleren Porendurchmesser im Bereich von 10 μm bis 30 μm aufweisen,
■ wobei die zweite Gasdiffusionsschicht eine elektrisch leitende makroporöse Schicht umfasst, bei welcher die Poren einen mittleren Porendurchmesser im Bereich von 10 μm bis 30 μm aufweisen,
• wobei das Gasdiffusionsmedium Polytetrafluoroethylen enthält, wobei die erste Gasdiffusionsschicht eine höhere Polytetrafluoroethylen- Konzentration aufweist als die zweite Gasdiffusionsschicht.
Polvmer-Elektrolvt-Membranen
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignete Polymer-Elektrolyt- Membranen sind an sich bekannt und werden insbesondere in US 5,525,436, DE-A-101 17 687, DE-A-101 10 752, DE-A-103 31 365, DE-A-100 52 242, US 2008160378, US 2008233435, DE-U-20217178 und Handbook of Fuel CeIIs - Fundamentals and Technology and Applications, Vol. 3, Chapter 3, High temperature membranes, J. S. Wainright, M. H. Litt and R.F.Savinell beschrieben.
Erfindungsgemäß werden Polymer-Elektrolyt-Membranen eingesetzt, die Phosphorsäure enthalten.
Die Membranen können unter anderem durch Quellen von flächigen Materialen, beispielsweise einer Polymerfolie, mit einer Flüssigkeit, die Phosphorsäure oder Phosphorsäure-freisetzende Verbindungen umfasst, oder durch Herstellung einer Mischung von Polymeren und Phosphorsäure-haltigen oder Phosphorsäure- freisetzenden Verbindungen und anschließendes Bilden einer Membran durch Formen eines flächigen Gegenstandes und anschließender Verfestigung, um eine Membran zu bilden, erzeugt werden.
Zu den hierfür geeigneten Polymeren gehören unter anderem Polyolefine, wie Poly(chloropren), Polyacetylen, Polyphenylen, Poly(p-xylylen), Polyarylmethylen, Polystyrol, Polymethylstyrol, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Polyvinylether, Polyvinylamin, Poly(N-vinylacetamid), Polyvinylimidazol, Polyvinylcarbazol, Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylpyridin, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polytetrafluorethylen, Polyhexafluorpropylen, Copolymere von PTFE mit Hexafluoropropylen, mit Perfluorpropylvinylether, mit Trifluoronitrosomethan, mit Carbalkoxy-perfluoralkoxyvinylether, Polychlortrifluorethylen, Polyvinylfluorid, Polyvinylidenfluorid, Polyacrolein, Polyacrylamid, Polyacrylnitril, Polycyanacrylate,
Polymethacrylimid, cycloolefinische Copolymere, insbesondere aus Norbornen;
Polymere mit C-O-Bindungen in der Hauptkette, beispielsweise Polyacetal,
Polyoxymethylen, Polyether, Polypropylenoxid, Polyepichlorhydrin,
Polytetrahydrofuran, Polyphenylenoxid, Polyetherketon, Polyester, insbesondere
Polyhydroxyessigsäure, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat,
Polyhydroxybenzoat, Polyhydroxypropionsäure, Polypivalolacton,
Polycaprolacton, Polymalonsäure, Polycarbonat;
Polymere mit C-S-Bindungen in der Hauptkette, beispielsweise Polysulfidether,
Polyphenylensulfid, Polysulfone, Polyethersulfon;
Polymere mit C-N-Bindungen in der Hauptkette, beispielsweise Polyimine,
Polyisocyanide, Polyetherimin, Polyetherimide, Polyanilin, Polyaramide,
Polyamide, Polyhydrazide, Polyurethane, Polyimide, Polyazole,
Polyazoletherketon, Polyazine; flüssigkristalline Polymere, insbesondere Vectra sowie anorganische Polymere, beispielsweise Polysilane, Polycarbosilane, Polysiloxane,
Polykieselsäure, Polysilikate, Silicone, Polyphosphazene und Polythiazyl.
Hierbei sind basische Polymere bevorzugt. Insbesondere kommen nahezu alle bekannten Polymermembranen in Betracht, bei denen die Protonen transportiert werden können. Hierbei sind Säuren bevorzugt, die Protonen ohne zusätzliches Wasser, z.B. mittels des sogenannten Grotthus Mechanismus, befördern können.
Als basisches Polymer im Sinne der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise ein basisches Polymer mit mindestens einem Stickstoffatom in einer Wiederholungseinheit verwendet.
Die Wiederholungseinheit im basischen Polymer enthält gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einen aromatischen Ring mit mindestens einem Stickstoff atom. Bei dem aromatischen Ring handelt es sich vorzugsweise um einen fünf- oder sechsgliedrigen Ring mit eins bis drei Stickstoffatomen, der mit einem anderen Ring, insbesondere einem anderen aromatischen Ring, anelliert sein kann.
Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden hochtemperaturstabile Polymere eingesetzt, die mindestens ein Stickstoff-, Sauerstoff- und/oder Schwefelatom in einer oder in unterschiedlichen Wiederholungseinheiten enthalten. Hochtemperaturstabil im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Polymer, welches als polymerer Elektrolyt in einer Brennstoffzelle bei Temperaturen oberhalb 1200C dauerhaft betrieben werden kann. Dauerhaft bedeutet, dass eine erfindungsgemäße Membran mindestens 100 Stunden, vorzugsweise mindestens 500 Stunden bei mindestens 1100C, vorzugsweise mindestens 1200C, besonders bevorzugt mindestens 1600C betrieben werden kann, ohne dass die Leistung, die gemäß der in WO 01/18894 A2 beschriebenen Methode gemessen werden kann, um mehr als 50%, bezogen auf die Anfangsleistung abnimmt.
Die vorstehend genannten Polymeren können einzeln oder als Mischung (Blend) eingesetzt werden. Hierbei sind insbesondere Blends bevorzugt, die Polyazole und/oder Polysulfone enthalten. Die bevorzugten Blendkomponenten sind dabei Polyethersulfon, Polyetherketon und mit Sulfonsäuregruppen modifizierte Polymere, wie in der deutschen Patentanmeldung DE-A-100 52 242 und DE-A- 102 45 451 beschrieben. Durch die Verwendung von Blends können die mechanischen Eigenschaften verbessert und die Materialkosten verringert werden.
Eine besonders bevorzugte Gruppe von basischen Polymeren stellen Polyazole dar. Ein basisches Polymer auf Basis von Polyazol enthält wiederkehrende Azoleinheiten der allgemeinen Formel (I) und/oder (II) und/oder (III) und/oder (IV)
worin
Ar gleich oder verschieden sind und für eine vierbindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe stehen, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar1 gleich oder verschieden sind und für eine zweibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe stehen, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar2 gleich oder verschieden sind und für eine zwei oder dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe stehen, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar3 gleich oder verschieden sind und für eine dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe stehen, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar4 gleich oder verschieden sind und für eine dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe stehen, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar5 gleich oder verschieden sind und für eine vierbindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe stehen, die ein- oder mehrkernig sein kann,
X gleich oder verschieden ist und für Sauerstoff, Schwefel oder eine
Aminogruppe steht, die ein Wasserstoffatom, eine 1 - 20 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl- oder Alkoxygruppe, oder eine Arylgruppe als weiteren Rest trägt n eine ganze Zahl größer gleich 10, bevorzugt größer gleich 100 sind.
Bevorzugte aromatische oder heteroaromatische Gruppen leiten sich von Benzol, Naphthalin, Biphenyl, Diphenylether, Diphenylmethan, Diphenyldimethylmethan, Bisphenon, Diphenylsulfon, Chinolin, Pyridin, Bipyridin, Pyridazin, Pyrimidin, Pyrazin, Triazin, Tetrazin, Pyrol, Pyrazol, Anthracen, Benzopyrrol, Benzothazol, Benzooxathiadiazol, Benzooxadiazol, Benzopyridin, Benzopyrazin, Benzopyrazidin, Benzopyrimidin, Benzopyrazin, Benzotriazin, Indolizin, Chinolizin, Pyridopyridin, Imidazopyrimidin, Pyrazinopyrimidin, Carbazol, Aciridin, Phenazin, Benzochinolin, Phenoxazin, Phenothiazin, Acridizin, Benzopteridin, Phenanthrolin und Phenanthren, die gegebenenfalls auch substituiert sein können, ab.
Bevorzugt sind Polyazole mit wiederkehrenden Einheiten der Formel (I), bei denen die Reste X innerhalb einer wiederkehrenden Einheit gleich sind.
Die Polyazole können grundsätzlich auch unterschiedliche wiederkehrende Einheiten aufweisen, die sich beispielsweise in ihrem Rest X unterscheiden. Vorzugsweise jedoch weist es nur gleiche Reste X in einer wiederkehrenden Einheit auf.
Weitere bevorzugte Polyazol-Polymere sind Polyimidazole, Polybenzthiazole, Polybenzoxazole, Polyoxadiazole, Polyquinoxalines, Polythiadiazole Poly(pyridine), Poly(pyrimidine), und Poly(tetrazapyrene).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Polymer enthaltend wiederkehrende Azoleinheiten ein Polyazol, das nur Einheiten der Formel (I) und/oder (II) enthält.
Die Anzahl der wiederkehrende Azoleinheiten im Polymer ist vorzugsweise eine ganze Zahl größer gleich 10. Besonders bevorzugte Polymere enthalten mindestens 100 wiederkehrende Azoleinheiten. Die eingesetzten Polyazole, insbesondere jedoch die Polybenzimidazole zeichnen sich durch ein hohes Molekulargewicht aus. Gemessen als Intrinsische Viskosität beträgt diese mindestens 0,2 dl/g, vorzugsweise 0,8 bis 10 dl/g, insbesondere 1 bis 10 dl/g.
Die Herstellung derartiger Polyazole ist bekannt und beschrieben in DE-A-101 17 687, wobei ein oder mehrere aromatische Tetra-Amino-Verbindungen mit ein oder mehreren aromatischen Carbonsäuren bzw. deren Estern, die mindestens zwei Säuregruppen pro Carbonsäure-Monomer enthalten, in der Schmelze zu einem Präpolymer umgesetzt werden. Das entstehende Präpolymer erstarrt im Reaktor und wird anschließend mechanisch zerkleinert. Das pulverförmige Präpolymer wird üblich in einer Festphasen-Polymerisation bei Temperaturen von bis zu 4000C endpolymerisiert.
Zur Herstellung von Polymerfolien kann ein Polymer, vorzugsweise ein Polyazol in einem weiteren Schritt in polaren, aprotischen Lösemitteln, wie beispielsweise Dimethylacetamid (DMAc), gelöst und eine Folie mittels klassischer Verfahren erzeugt werden.
Zur Entfernung von Lösemittelresten kann die so erhaltene Folie mit einer Waschflüssigkeit, wie in der deutschen Patentanmeldung DE-A-101 09 829 beschrieben, behandelt werden. Durch die in der deutschen Patentanmeldung beschriebene Reinigung der Polyazolfolie von Lösungsmittelresten verbessern sich überraschend die mechanischen Eigenschaften der Folie. Diese Eigenschaften umfassen insbesondere den E-Modul, die Reißfestigkeit und die Bruchzähigkeit der Folie.
Zusätzlich kann der Polymerfilm weitere Modifizierungen, beispielsweise durch Vernetzung, wie in der deutschen Patentanmeldung DE-A-101 10 752 oder in WO 00/44816 beschrieben, aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die eingesetzte Polymerfolie aus einem basischen Polymer und mindestens einer Blendkomponente zusätzlich einem Vernetzer, wie in der deutschen Patentanmeldung DE-A-101 40 147 beschrieben.
Die Dicke der Polyazolfolien kann in weiten Bereichen liegen. Vorzugsweise liegt die Dicke der Polyazolfolie vor einer Dotierung mit Säure im Bereich von 5 μm bis 2000 μm, besonders bevorzugt im Bereich von 10μm bis 1000 μm, ohne dass hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll.
Um eine Protonen-Leitfähigkeit zu erzielen, werden diese Folien mit einer Phosphorsäure dotiert.
Weiterhin ist auch der Einsatz von Polyphosphorsäuren möglich, die anschließend zumindest teilweise hydrolysiert werden.
Über den Dotierungsgrad kann die Leitfähigkeit der Polyazolmembran beeinflusst werden. Dabei nimmt die Leitfähigkeit mit steigender Konzentration an Dotierungsmittel solange zu, bis ein maximaler Wert erreicht ist. Erfindungsgemäß wird der Dotierungsgrad angegeben als Mol Säure pro Mol Wiederholungseinheit des Polymers. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein Dotierungsgrad zwischen 3 und 50, insbesondere zwischen 5 und 40, bevorzugt.
Im Allgemeinen werden hochkonzentrierte Säuren eingesetzt. Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung beträgt die Konzentration der Phosphorsäure mindestens 50% Gew.-%, insbesondere mindestens 80 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Dotierungsmittels.
Des Weiteren können protonenleitfähige Membranen auch durch ein Verfahren erhalten werden, umfassend die Schritte
I) Lösen von Polymeren, insbesondere Polyazolen in Polyphosphorsäure,
II) Erwärmen der Lösung, erhältlich gemäß Schritt A), unter Inertgas auf Temperaturen von bis zu 4000C,
IM) Bilden einer Membran unter Verwendung der Lösung des Polymeren gemäß
Schritt II) auf einem Träger und IV) Behandlung der in Schritt III) gebildeten Membran, bis diese selbsttragend ist.
Des Weiteren können dotierte Polyazolfolien durch ein Verfahren erhalten werden, umfassend die Schritte
A) Mischen von einer oder mehreren aromatischen Tetraamino-Verbindungen mit einer oder mehreren aromatischen Carbonsäuren bzw. deren Estern, die mindestens zwei Säuregruppen pro Carbonsäure-Monomer enthalten, oder Mischen von einer oder mehreren aromatischen und/oder heteroaromatischen Diaminocarbonsäuren, in Polyphosphorsäure unter Ausbildung einer Lösung und/oder Dispersion
B) Aufbringen einer Schicht unter Verwendung der Mischung gemäß Schritt A) auf einem Träger oder auf einer Elektrode,
C) Erwärmen des flächigen Gebildes/Schicht, erhältlich gemäß Schritt B), unter Inertgas auf Temperaturen von bis zu 350°C, vorzugsweise bis zu 2800C unter Ausbildung des Polyazol-Polymeren .
D) Behandlung der in Schritt C) gebildeten Membran (bis diese selbsttragend ist).
Die in Schritt A) einzusetzenden aromatischen bzw. heteroaromatschen Carbonsäure- und Tetraamino-Verbindungen wurden zuvor beschrieben.
Bei der in Schritt A) verwendeten Polyphosphorsäure handelt es sich um handelsübliche Polyphosphorsäuren, wie diese beispielsweise von Riedel-de Haen erhältlich sind. Die Polyphosphorsäuren Hn+2PnO3n+I (n>1 ) besitzen üblicherweise einen Gehalt berechnet als P2O5 (acidimetrisch) von mindestens 83%. Anstelle einer Lösung der Monomeren kann auch eine Dispersion/Suspension erzeugt werden.
Die in Schritt A) erzeugte Mischung weist ein Gewichtsverhältnis Polyphosphorsäure zu Summe aller Monomeren von 1 :10000 bis 10000:1 , vorzugsweise 1 :1000 bis 1000:1 , insbesondere 1 :100 bis 100:1 , auf.
Die Schichtbildung gemäß Schritt B) erfolgt mittels an sich bekannter Maßnahmen (Gießen, Sprühen, Rakeln) die aus dem Stand der Technik zur Polymerfilm- Herstellung bekannt sind. Als Träger sind alle unter den Bedingungen als inert zu bezeichnenden Träger geeignet. Zur Einstellung der Viskosität kann die Lösung gegebenenfalls mit Phosphorsäure (konz. Phosphorsäure, 85%) versetzt werden. Hierdurch kann die Viskosität auf den gewünschten Wert eingestellt und die Bildung der Membran erleichtert werden.
Die gemäß Schritt B) erzeugte Schicht hat eine Dicke zwischen 20 und 4000 μm, vorzugsweise zwischen 30 und 3500 μm, insbesondere zwischen 50 und 3000 μm. Insofern die Mischung gemäß Schritt A) auch Tricarbonsäuren bzw. Tetracarbonsäuren enthält, wird hierdurch eine Verzweigung/ Vernetzung des gebildeten Polymeren erzielt. Diese trägt zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaft bei.
Die Behandlung der gemäß Schritt C) erzeugten Polymerschicht erfolgt in Gegenwart von Feuchtigkeit bei Temperaturen und für eine Dauer, ausreichend bis die Schicht eine hinreichende Festigkeit für den Einsatz in Brennstoffzellen besitzt. Die Behandlung kann soweit erfolgen, dass die Membran selbsttragend ist, so dass sie ohne Beschädigung vom Träger abgelöst werden kann.
Gemäß Schritt C) wird das in Schritt B) erhaltene flächige Gebilde auf eine Temperatur von bis zu 350°C, vorzugsweise bis zu 2800C und besonders bevorzugt im Bereich von 2000C bis 2500C erhitzt. Die in Schritt C) einzusetzenden Inertgase sind in der Fachwelt bekannt. Zu diesen gehören insbesondere Stickstoff sowie Edelgase, wie Neon, Argon, Helium.
In einer Variante des Verfahrens kann durch Erwärmen der Mischung aus Schritt A) auf Temperaturen von bis zu 3500C, vorzugsweise bis zu 2800C, bereits die Bildung von Oligomeren und/oder Polymeren bewirkt werden. In Abhängigkeit von der gewählten Temperatur und Dauer, kann anschließend auf die Erwärmung in Schritt C) teilweise oder gänzlich verzichtet werden. Auch diese Variante ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Die Behandlung der Membran in Schritt D) erfolgt bei Temperaturen oberhalb 0°C und kleiner 1500C, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 100C und 1200C, insbesondere zwischen Raumtemperatur (200C) und 900C, in Gegenwart von Feuchtigkeit bzw. Wasser und/oder Wasserdampf bzw. und/oder wasserenthaltende Phosphorsäure von bis zu 85%. Die Behandlung erfolgt vorzugsweise unter Normaldruck, kann aber auch unter Einwirkung von Druck erfolgen. Wesentlich ist, dass die Behandlung in Gegenwart von ausreichender Feuchtigkeit geschieht, wodurch die anwesende Polyphosphorsäure durch partielle Hydrolyse unter Ausbildung niedermolekularer Polyphosphorsäure und/oder Phosphorsäure zur Verfestigung der Membran beiträgt.
Die Hydrolyseflüssigkeit kann eine Lösung darstellen, wobei die Flüssigkeit auch suspendierte und/oder dispergierte Bestandteile enthalten kann. Die Viskosität der Hydrolyseflüssigkeit kann in weiten Bereichen liegen, wobei zur Einstellung der Viskosität eine Zugabe von Lösungsmitteln oder eine Temperaturerhöhung erfolgen kann. Vorzugsweise liegt die dynamische Viskosität im Bereich von 0,1 bis 10000 mPa*s, insbesondere 0,2 bis 2000 mPa*s, wobei diese Werte beispielsweise gemäß DIN 53015 gemessen werden können.
Die Behandlung gemäß Schritt D) kann mit jeder bekannten Methode erfolgen. Beispielsweise kann die in Schritt C) erhaltene Membran in ein Flüssigkeitsbad getaucht werden. Des Weiteren kann die Hydrolyseflüssigkeit auf die Membran gesprüht werden. Weiterhin kann die Hydrolyseflüssigkeit über die Membran gegossen werden. Die letzteren Methoden haben den Vorteil, dass die Konzentration an Säure in der Hydrolyseflüssigkeit während der Hydrolyse konstant bleibt. Das erste Verfahren ist jedoch häufig kostengünstiger in der Ausführung.
Gas-Diffusionselektroden
Neben der Polymer-Elektrolyt-Membran umfasst die erfindungsgemäße Membran- Elektroden-Einheit weiterhin mindestens eine Gas-Diffusionselektrode. Üblicherweise werden zwei elektrochemisch aktive Elektroden eingesetzt (Anode und Kathode), die durch die Polymer-Elektrolyt-Membran getrennt werden. Der Begriff „elektrochemisch aktiv" weist darauf hin, dass die Elektroden in der Lage sind, die Oxidation von Wasserstoff und/oder zumindest einem Reformat und die Reduktion von Sauerstoff zu katalysieren. Diese Eigenschaft kann durch Beschichtung der Elektroden mit katalytisch aktiven Substanzen, wie Platin und/oder Ruthenium, erhalten werden. Der Begriff „Elektrode" bedeutet, dass das Material elektrisch leitfähig ist. Die Elektrode kann ggf. eine Edelmetallschicht aufweisen. Derartige Elektroden sind bekannt und werden beispielsweise in US 4,191 ,618, US 4,212,714 und US 4,333,805 beschrieben.
Geeignete katalytisch aktive Materialien sind bevorzugt katalytisch aktive Metalle. Diese sind dem Fachmann bekannt. Geeignete katalytisch aktive Metalle sind im Allgemeinen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Platin, Palladium, Iridium, Rhodium, Ruthenium und Mischungen davon, besonders bevorzugt Platin und/oder Ruthenium. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform wird Platin allein oder eine Mischung von Platin und Ruthenium eingesetzt. Es können auch die dem Fachmann bekannten Polyoxymetallate eingesetzt werden. Die bevorzugt eingesetzten katalytisch aktiven Metalle oder Mischungen verschiedener Metalle können gegebenenfalls weitere Legierungszusätze ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kobalt, Chrom, Wolfram, Molybdän, Vanadium, Eisen, Kupfer, Nickel, Silber, Gold, Iridium, Zinn usw. und Mischungen davon enthalten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das wenigstens ein katalytisch aktives Material auf ein geeignetes Trägematerial aufgebracht. Geeignete Trägermaterialien sind dem Fachmann bekannt, beispielsweise Elektronenleiter ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ruß, Graphit, Kohlenstoff-Fasern, Kohlenstoff-Nanopartikeln, Kohlenstoff-Schäumen, Kohlenstoff-Nanotubes und Mischungen davon.
Bei einer Brennstoffzelle, die mit einem Kohlenmonoxid enthaltenden Reformatgas als Brennstoff betrieben werden soll, ist es vorteilhaft, wenn der Anodenkatalysator eine möglichst hohe Resistenz gegenüber einer Vergiftung durch Kohlenmonoxid aufweist. In einem solchen Fall werden bevorzugt Elektrokatalysatoren auf der Basis von Platin/Ruthenium eingesetzt.
Die erfindungsgemäß einzusetzende Gas-Diffusionselektrode umfasst mindestens ein Gasdiffusionsmedium und mindestens eine Katalysatorschicht. Diese sind im Rahmen einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung direkt miteinander verbunden. Im Rahmen einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Katalysator-beschichtete Polymer-Elektrolytmembranen eingesetzt, die beim Zusammenfügen mit dem Gasdiffusionsmedium die Gas-Diffusionselektrode bilden.
Gasdiffusionsmedien sind per se bekannt und werden beispielsweise in US 6,017,650, US 6,379,834 und US 6,165,636 beschrieben. Sie dienen insbesondere zur Gasverteilung, zum Wassermanagement, zur Stromabführung, zum mechanischen Halt und zur Wärmeleitung.
Als Gasdiffusionsmedien werden üblicherweise flächige, elektrisch leitende und säureresistente Gebilde eingesetzt. Zu diesen gehören beispielsweise Graphitfaser-Papiere, Kohlefaser- Papiere, Graphitgewebe und/oder Papiere, die durch Zugabe von Ruß leitfähig gemacht wurden. Durch diese Schichten wird eine feine Verteilung der Gas- und/oder Flüssigkeitsströme erzielt.
Ferner können auch Gasdiffusionsmedien eingesetzt werden, welche ein mechanisch stabiles Stützmaterial enthalten, das mit mindestens einem elektrisch leitfähigen Material, z. B. Kohlenstoff (beispielsweise Ruß), und ggf. einem Bindemittel imprägniert ist. Natürlich können auch andere Typen elektrisch leitfähiger Partikel, wie z. B. Metallpartikel, anstelle des Kohlenstoffs oder zusätzlich zu ihm verwendet werden.
Für diese Zwecke besonders geeignete Stützmaterialien umfassen Fasern, beispielsweise in Form von Vliesen, Papieren oder Geweben, insbesondere Kohlefasern, Glasfasern oder Fasern enthaltend organische Polymere, beispielsweise Polypropylen, Polyester (Polyethylenterephthalat), Polyphenylensulfid oder Polyetherketone. Weitere Details zu derartigen Gasdiffusionsmedien können beispielsweise der WO 9720358 entnommen werden.
Die Gasdiffusionsmedien weisen vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 80 μm bis 2000 μm, insbesondere im Bereich von 100 μm bis 1000 μm und besonders bevorzugt im Bereich von 150 μm bis 500 μm, auf.
Die Gasdiffusionsmedien können übliche Additive enthalten. Hierzu gehören unter anderem oberflächenaktive Substanzen.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann mindestens eine Schicht der Gasdiffusionsmedien aus einem kompressiblen Material bestehen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein kompressibles Material durch die Eigenschaft gekennzeichnet, dass das Material ohne Verlust ihrer Integrität durch Druck auf die Hälfte, insbesondere auf ein Drittel ihres ursprünglichen Dicken gepresst werden kann.
Diese Eigenschaft weisen im Allgemeinen Gasdiffusionsschichten aus Graphitgewebe und/oder Papier, das durch Zugabe von Ruß leitfähig gemacht wurde, auf. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst das Gasdiffusionsmedium mindestens zwei Gasdiffusionsschichten,
■ wobei die erste Gasdiffusionsschicht eine elektrisch leitende makroporöse Schicht umfasst, bei welcher die Poren einen mittleren Porendurchmesser im Bereich von 10 μm bis 30 μm aufweisen,
■ wobei die zweite Gasdiffusionsschicht eine elektrisch leitende makroporöse Schicht umfasst, bei welcher die Poren einen mittleren Porendurchmesser im Bereich von 10 μm bis 30 μm aufweisen,
■ wobei das Gasdiffusionsmedium Polytetrafluoroethylen enthält und
■ wobei die erste Gasdiffusionsschicht eine höhere Polytetrafluoroethylen- Konzentration aufweist als die zweite Gasdiffusionsschicht.
Hierbei kann es sich um zwei isolierte Schichten handeln. Weiterhin können die Schichten auch in einem einzigen Medium vorliegen, welches beispielsweise durch partielles Aufbringen von Polytetrafluoroethylen auf eine Seite des Gasdiffusionsmediums erhältlich ist.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das Gasdiffusionsmedium zusätzlich mindestens eine elektrisch leitende mikroporöse Schicht, bei welcher die Poren einen mittleren Porendurchmesser im Bereich von 100 nm bis 500 nm aufweisen.
Im Rahmen einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das Gasdiffusionsmedium keine derartige elektrisch leitende mikroporöse Schicht.
Die Bestimmung der Porengröße kann in diesem Zusammenhang nach an sich bekannten Verfahren erfolgen. Besonders bewährt hat sich das Verfahren der Quecksilberporosimetrie, insbesondere nach der Norm DIN 66 133, Juni 1993.
Die Anordnung der Gasdiffusionsschichten ist prinzipiell beliebig. Besonders bewährt hat sich jedoch ein Aufbau, bei welchem die zweite Gasdiffusionsschicht zwischen der ersten Gasdiffusionsschicht und der Katalysatorschicht angeordnet ist. Weiterhin bewährt hat sich auch ein Aufbau, bei welchem die erste Gasdiffusionsschicht zwischen der zweiten Gasdiffusionsschicht und der Katalysatorschicht angeordnet ist. Die Konzentrationen an Polytetrafluoroethylen in den zwei Gasdiffusionsschichten können prinzipiell frei gewählt werden, solange die erste Gasdiffusionsschicht eine höhere Polytetrafluoroethylenkonzentration als die zweite Gasdiffusionsschicht aufweist.
Vorzugsweise ist jedoch die Fluorkonzentration der ersten Gasdiffusionsschicht größer 0,35 mg/cm2, besonders bevorzugt größer 0,40 mg/cm2, insbesondere größer 0, 5 mg/cm2.
Die zweite Gasdiffusionsschicht weist vorzugsweise eine Fluorkonzentration kleiner 0,30 mg/cm2, besonders bevorzugt kleiner 0,23 mg/cm2 insbesondere kleiner 0,2 mg/cm2 auf.
Das Verhältnis der Fluorkonzentration in der ersten Gasdiffusionsschicht zur Fluorkonzentration in der zweiten Gasdiffusionsschicht ist vorzugsweise größer 1 ,1 :1 , günstigerweise größer 1 ,5:1 , besonders bevorzugt größer 2:1 , zweckmäßigerweise größer 4:1 , insbesondere größer 6:1.
Das Verhältnis der Fluorkonzentration zur Kohlenstoffkonzentration in der ersten Gasdiffusionsschicht ist vorzugsweise mindestens 0,7, besonders bevorzugt mindestens 0,8, insbesondere mindestens 0,9.
Die Bestimmung der Fluorkonzentration kann in diesem Zusammenhang auf an sich bekannte Weise erfolgen. Besonders bewährt haben sich in diesem Zusammenhang Verfahren der Rasterelektronenmikroskopie (SEM), der Elektronenstrahl-Mikrobereichsanalyse (EPMA) und der Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS), insbesondere Verfahren der Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS), welche beispielsweise in der Druckschrift Ludwig Reimer Scanning Electron Microscopy: Physics of Image Formation and Microanalysis (Springer Series in Optical Sciences), Springer, Berlin; 2. Auflage; 17. September 1998 im Detail beschrieben werden.
Die erste Gasdiffusionsschicht umfasst vorzugsweise möglichst wenig Russpartikel mit einer Partikelgröße kleiner 100 nm. Bevorzugt enthält die erste Gasdiffusionsschicht mehr als 30 Gew.-%, zweckmäßigerweise mehr als 50 Gew.- %, günstigerweise mehr als 75 Gew.-%, besonders bevorzugt mehr als 95 Gew.- %, insbesondere 100 Gew.-%, Polytetrafluoroethylen, bezogen auf das Gesamtgewicht an Polytetrafluoroethylen und an Russpartikeln mit einer Partikelgröße kleiner 100 nm.
Die Dicken der ersten und der zweiten Gasdiffusionsschicht können prinzipiell frei gewählt werden. Die Dicke der ersten Gasdiffusionsschicht ist jedoch vorzugsweise größer 1 μm, besonders bevorzugt größer 5 μm, zweckmäßigerweise größer 10 μm, insbesondere größer 25 μm. Die Dicke der zweiten Gasdiffusionsschicht ist vorzugsweise größer 1 μm, besonders bevorzugt größer 5 μm, zweckmäßigerweise größer 10 μm, insbesondere größer 25 μm.
Besonders bewährt haben sich weiterhin Gasdiffusionsmedien, bei welchen im Querschnitt, die erste Gasdiffusionsschicht die ersten 5 % bis 30 % des Gasdiffusionsmediums, bezogen auf die Gesamtdicke des Gasdiffusionsmediums, ausmacht.
Die Dicken der Gasdiffusionsschichten können in diesem Zusammenhang auf an sich bekannte Weise, insbesondere mittels Rasterelektronenmikroskop (REM) erhalten werden.
Die Katalysatorschicht oder Katalysatorschichten enthält oder enthalten katalytisch aktive Substanzen. Zu diesen gehören unter anderem Edelmetalle der Platingruppe, d.h. Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru, oder auch die Edelmetalle Au und Ag. Es können auch Legierungen aller vorgenannten Metalle eingesetzt werden. Weiterhin kann mindestens eine Katalysatorschicht Legierungen der Platingruppenelemente mit unedlen Metallen wie zum Beispiel Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Zr, Ti, Ga, V usw. enthalten.
Falls die Gasdiffusionselektrode gemäß der vorliegenden Erfindung als Anode in einer Membranelektrodeneinheit für Direktmethanol-, Wasserstoff /Luft- oder Reformat/Luft-Brennstoffzellen verwendet wird, ist es bevorzugt, dass die Katalysatoren Platin und/oder Ruthenium umfassen.
Falls die Gasdiffusionselektrode gemäß der vorliegenden Erfindung als Kathode in Membranelektroneneinheiten für Direktmethanol-, Wasserstoff/Luft- oder Reformat/Luft-Brennstoffzellen verwendet wird, ist es bevorzugt, dass die Katalysatoren Platin, Platiniridium- oder Platinrhodiumlegierungen umfassen. Die katalytisch aktiven Partikel, die die zuvor genannten Substanzen umfassen, können als Metallpulver, sogenanntes Edelmetallschwarz, insbesondere in Form von Platin und/oder Platinlegierungen, eingesetzt werden. Derartige Partikel weisen im Allgemeinen eine Größe im Bereich von 5 nm bis 200 nm, vorzugsweise im Bereich von 7 nm bis 100 nm auf.
Darüber hinaus können die Metalle auch auf einem Trägermaterial eingesetzt werden. Vorzugsweise umfasst dieser Träger Kohlenstoff, der insbesondere in Form von Ruß, Graphit oder graphitisierter Ruß, eingesetzt werden kann. Weiterhin können auch elektrisch leitfähige Metalloxide, wie zum Beispiel SnOx, TiOx, oder Phosphate, wie z.B. FePOx, NbPOx, Zry(POx)z als Trägermaterial verwendet werden. Hierbei kennzeichnen die Indices x, y und z den Sauerstoff oder Metallgehalt der einzelnen Verbindungen, die in einem bekannten Bereich liegen können, da die Übergangsmetalle unterschiedliche Oxidationsstufen einnehmen können.
Der Gehalt dieser geträgerten Metall-Partikel, bezogen auf das Gesamtgewicht der Metall-Träger-Verbindung, liegt im Allgemeinen im Bereich von 1 Gew.-% bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 5 Gew.-% bis 60 Gew.-% und besonders bevorzugt 10 Gew.-% bis 50 Gew.-%, ohne dass hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll. Die Partikelgröße des Trägers, insbesondere die Größe der Kohlenstoff partikel, liegt vorzugsweise im Bereich von 20 nm bis 1000 nm, insbesondere 30 nm bis 100 nm. Die Größe der sich hierauf befindlichen Metallpartikel liegt vorzugsweise im Bereich von 1 nm bis 20 nm, insbesondere 1 nm bis 10 nm und besonders bevorzugt 2 nm bis 6 nm.
Die Größen der unterschiedlichen Partikel stellen Mittelwerte dar und können über Transmissionselektronenmikroskopie oder Pulver-Röntgendiffraktomethe bestimmt werden.
Die zuvor dargelegten katalytisch aktiven Partikel können im Allgemeinen kommerziell erhalten werden.
Des Weiteren kann die katalytisch aktive Schicht übliche Additive enthalten. Hierzu gehören unter anderem Fluorpolymere wie z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE), protonenleitende lonomere und oberflächenaktive Substanzen. Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Gewichtsverhältnis von Fluorpolymer zu Katalysatormaterial, umfassend mindestens ein Edelmetall und gegebenenfalls ein oder mehrere Trägermaterialien, größer als 0,1 , wobei dieses Verhältnis vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 0,6 liegt.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausfϋhrungsform der vorliegenden Erfindung ist es besonders bevorzugt, dass die Katalysatorschicht sulfoniertes Polytetrafluorethylen enthält, und der Anteil an sulfoniertem Polytetrafluorethylen in der Katalysatorschicht liegt vorzugsweise im Bereich von 10 Gew.-% bis 300 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des katalytisch aktiven Materials. Dies bedingt insbesondere eine erhöhte Sauerstoff-Löslichkeit in der Kathode, insbesondere bei einer Temperatur größer 1000C.
Weiterhin ist der Gehalt an unsulfoniertem Polytetrafluorethylen in der Katalysatorschicht vorteilhafter Weise kleiner 30 Gew.-%, günstigerweise kleiner 10 Gew.-%, besonders bevorzugt kleiner 1 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Katalysatorschicht.
Darüber hinaus ist der Gehalt an unsulfoniertem Polytetrafluorethylen in der Katalysatorschicht vorteilhafter Weise kleiner 100 Gew.-%, günstigerweise kleiner 50 Gew.-%, besonders bevorzugt kleiner 1 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht an sulfoniertem Polytetrafluorethylen in der Katalysatorschicht.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Katalysatorschicht kein unsulfoniertes. Polytetrafluorethylen.
Ferner ist der Gehalt an Tensiden in der Katalysatorschicht vorteilhafterweise kleiner 30 Gew.-%, günstigerweise kleiner 10 Gew.-%, besonders bevorzugt kleiner 1 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Katalysatorschicht.
Darüber hinaus ist der Gehalt an Tensiden in der Katalysatorschicht vorteilhafter Weise kleiner 100 Gew.-%, günstigerweise kleiner 50 Gew.-%, besonders bevorzugt kleiner 1 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht an sulfoniertem Polytetrafluorethylen in der Katalysatorschicht Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausfϋhrungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Katalysatorschicht keine Tenside.
Die Katalysatorschicht weist bevorzugt eine Dicke im Bereich von 1 μm bis 500 μm, insbesondere im Bereich von 5 μm bis 250 μm, vorzugsweise im Bereich von 10 μm bis 150 μm auf. Dieser Wert stellt einen Mittelwert dar, der durch Messung der Schichtdicke im Querschnitt von Aufnahmen bestimmt werden kann, die mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) erhalten werden können.
Nach einer besonders bevorzugten Ausfϋhrungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der Edelmetallgehalt der Katalysatorschicht 0,1 mg/cm2 bis 5,0 mg/cm2, vorzugsweise 0,3 mg/cm2 bis 4,0 mg/cm2 und besonders bevorzugt 0,3 mg/cm2 bis 3,0 mg/cm2. Diese Werte können durch Elementaranalyse einer flächigen Probe bestimmt werden.
Für weitere Informationen über Membran-Elektroden-Einheiten wird auf die Fachliteratur, insbesondere auf die Patentanmeldungen WO 01/18894 A2, DE 195 09 748, DE 195 09 749, WO 00/26982, WO 92/15121 und DE 197 57 492 sowie auf die Publikationen W. Vielstich, H. Gasteiger, A. Lamm (Herausgeber) Handbook of Fuel CeIIs - Fundamentals, Technology and Applications, Band 3: Fuel Cell Technology and Applications, Kapitel 43: Principles ofMEA preparation 2003 John Wiley and Sons, Ltd. Seiten 538-565 und W. Vielstich, H. Gasteiger, A. Lamm (Herausgeber) Handbook of Fuel CeIIs - Fundamentals, Technology and Applications, Band 3: Fuel Cell Technology and Applications, Kapitel 42: Diffusion media materials and characterisation 2003 John Wiley and Sons, Ltd. Seiten 538- 565 verwiesen. Die in den vorstehend genannten Literaturstellen enthaltene Offenbarung hinsichtlich des Aufbaues und der Herstellung von Membran- Elektroden-Einheiten, sowie der zu wählenden Elektroden, Gasdiffusionslagen und Katalysatoren ist auch Bestandteil der Beschreibung.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Membranelektroneneinheit kann auf an sich bekannte Weise durch Zusammenfügen der Elemente erfolgen. Eine derartige Membranelektrodeneinheit wird vorzugsweise durch Heißpressen hergestellt. Zu diesem Zweck wird eine Gasdiffusionselektrode und eine Membran, vorzugsweise eine lonenaustauschmembran, insbesondere eine protonenleitende Membran, auf eine Temperatur im Bereich von 500C bis 2000C erwärmt und bei einem Druck im Bereich von 1 MPa bis 10 MPa verpresst. Ein paar Minuten reichen im Allgemeinen aus, um die Katalysatorschicht mit der Membranschicht zu verbinden. Diese Zeit ist vorzugsweise im Bereich von 30 Sekunden bis 10 Minuten, insbesondere im Bereich von 30 Sekunden bis 5 Minuten.
Gemäß einer bevorzugten Variante wird die Membranelektroneneinheit erhalten, indem man eine Katalysatorschicht zunächst auf die Membran aufbringt, um zunächst eine Katalysator-beschichtete Membran (CCM) herzustellen, um dann die Katalysator-beschichtete Membran mit einem Gasdiffusionsmedium auf einem Substrat zu laminieren. Das einzusetzende Gasdiffusionsmedium hat dabei die zuvor beschriebene Mehrschichtstruktur.
Besonders bewährt hat sich auch eine Vorgehensweise, bei welcher man i.) Polytetrafluoroethylen auf ein Gasdiffusionsmedium aufbringt, das eine elektrisch leitende makroporöse Schicht umfasst, bei welcher die Poren einen mittleren Porendurchmesser im Bereich von 10 μm bis 30 μm aufweisen, ii.) das Gasdiffusionsmedium aus Schritt i) bei Temperaturen größer 1000C tempert, iii.) ein Katalysatormaterial auf das Gasdiffusionsmedium aus Schritt ii) aufbringt.
Günstig ist eine Temperaturbehandlung bei einer Temperatur kleiner 2800C, bevorzugt im Bereich von 400C bis 2500C, insbesondere im Bereich von 600C bis kleiner 2000C. Die Dauer der Temperaturbehandlung wird vorzugsweise im Bereich von 1 Minute bis 2 h gewählt.
Das Aufbringen des Katalysatormaterials erfolgt vorzugsweise unter Verwendung einer Katalysatortinte, die das katalytisch aktive Material und ein Bindemittel, bevorzugt sulfoniertes Polytetrafluorethylen, umfasst. Der Anteil an sulfoniertem Polytetrafluorethylen im Bindemittel liegt vorzugsweise im Bereich von 30 Gew.-% bis 300 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht an katalytisch aktivem Material in der Katalysatortinte. Weiterhin ist der Gehalt an unsulfoniertem Polytetrafluorethylen im Bindemittel vorteilhafter weise kleiner 100 Gew.-%, bevorzugt kleiner 50 Gew.-%, besonders bevorzugt kleiner 10 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt kleiner 1 Gew.-%, insbesondere 0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht an sulfoniertem Polytetrafluorethylen in der Katalysatortinte. Darüber hinaus ist der Gehalt an Tensiden im Bindemittel vorteilhafter Weise kleiner 100 Gew.-%, bevorzugt kleiner 50 Gew.-%, besonders bevorzugt kleiner 10 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt kleiner 1 Gew.-%, insbesondere 0 Gew.- %, bezogen auf das Gesamtgewicht an sulfoniertem Polytetrafluorethylen in der Katalysatortinte.
Die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit (MEE) eignet sich besonders für Brennstoffzellenanwendungen, insbesondere zur Stromerzeugung bei einer Temperatur größer 1000C.
Überraschender weise wurde festgestellt, dass erfindungsgemäße Brennstoff- Einzelzellen aufgrund ihrer Dimensionsstabilität bei schwankenden Umgebungstemperaturen und Luftfeuchtigkeit problemlos gelagert oder versendet werden können. Auch nach längerer Lagerung oder nach Versand an Orte mit deutlich unterschiedlichen klimatischen Bedingungen stimmen die Dimensionen der Brennstoff-Einzelzellen problemlos für den Einbau in Brennstoffzellenstacks. Die Brennstoff-Einzelzelle muss für einen externen Einbau dann vor Ort nicht mehr konditioniert werden, was die Herstellung der Brennstoffzelle vereinfacht und Zeit und Kosten spart.
Ein Vorteil bevorzugter Brennstoff-Einzelzellen ist, dass sie den Betrieb der Brennstoffzelle bei Temperaturen oberhalb 120 0C ermöglichen. Dies gilt für gasförmige und flüssige Brennstoffe, wie z.B. Wasserstoff enthaltende Gase, die z.B. in einem vorgeschalteten Reformierungsschritt aus Kohlenwasserstoffen hergestellt werden. Als Oxidanz kann dabei z.B. Sauerstoff oder Luft verwendet werden.
Ein weiterer Vorteil bevorzugter Brennstoff-Einzelzellen ist, dass sie beim Betrieb oberhalb 120 0C auch mit reinen Platinkatalysatoren, d.h. ohne einen weiteren Legierungsbestandteil, eine hohe Toleranz gegen Kohlenmonoxid aufweisen. Bei Temperaturen von 160 0C kann z.B. mehr als 1 % CO im Brenngas enthalten sein, ohne dass dies zu einer merklichen Reduktion der Leistung der Brennstoffzelle führt.
Bevorzugte Brennstoff-Einzelzellen können in Brennstoffzellen betrieben werden, ohne dass die Brenngase und die Oxidanzien trotz der möglichen hohen Betriebstemperaturen nicht befeuchtet werden müssen. Die Brennstoffzelle arbeitet dennoch stabil und die Membran verliert ihre Leitfähigkeit nicht. Dies vereinfacht das gesamte Brennstoffzellensystem und bringt zusätzliche Kostenersparnisse, da die Führung des Wasserkreislaufs vereinfacht wird. Weiter wird hierdurch auch das Verhalten bei Temperaturen unterhalb 0 °C des Brennstoffzellensystems verbessert.
Bevorzugte Brennstoff-Einzelzellen erlauben überraschend, dass die Brennstoffzelle problemlos auf Raumtemperatur und darunter abgekühlt werden kann und danach wieder in Betrieb genommen werden kann, ohne an Leistung zu verlieren. Herkömmliche auf Phosphorsäure basierende Brennstoffzellen müssen dagegen auch beim Abschalten des Brennstoffzellensystems manchmal bei einer Temperatur oberhalb von 40 °C gehalten werden, um eine irreversible Schädigung zu vermeiden.
Weiterhin zeichnen sich die erfindungsgemäßen Brennstoff-Einzelzellen durch eine verbesserte Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit und eine vergleichsweise niedrige Gasdurchlässigkeit, insbesondere bei hohen Temperaturen, aus. Eine Abnahme der mechanischen Stabilität und der strukturellen Integrität, insbesondere bei hohen Temperaturen, wird erfindungsgemäß bestmöglich vermieden.
Darüber hinaus können die erfindungsgemäßen Brennstoff-Einzelzellen kostengünstig und einfach hergestellt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung durch Beispiele und Vergleichsbeispiele näher erläutert, ohne dass hierdurch eine Beschränkung des Erfindungsgedankens erfolgen soll.
Herstellung der Katalysatortinte
2,4 Anteile Nafion-Ionomer in H2O (10wt%) Äquivalentgewichti 100 (Fa. DuPont) und 1 ,85 Anteile H2O wurden in einer Glassflasche vorgelegt und mit einem Magnetrührer aufgerührt. Dann wurde ein Anteil Katalysator Pt/C eingewogen und unter Rühren langsam dem Ansatz beigemischt. Der Ansatz wurde ca. 5-10 Minuten bei Raumtemperatur mit dem Magnetrührer nachgerührt. Die Probe wurde dann mit Ultraschall solange behandelt, bis der Wert der eingetragenen Energie 0,015 KWh betrug. Dieser Wert bezog sich auf eine Ansatzgröße von 20g. Herstellung von Gasdiffusionselektroden(GDE): Ausgangs-GDL:
GDL 1 : H2315 IX11 CX45
Eine mit Teflon imprägnierten Gasdiffusionslage (GDL) (H2315 1X11 CX45) der Firma Freudenberg mit einer makroporösen Schicht (mittlerer Porendurchmesser im Bereich von 10 μm bis 30 μm) und einer mikroporösen Kohlenstoffschicht (mittlerer Porendurchmesser im Bereich von 100 nm bis 500 nm).
GDL 2: H2315 IX11
Eine mit Teflon imprägnierten Gasdiffusionslage (GDL) (H2315 1X11) der Firma Freudenberg mit einer makroporösen Schicht (mittlerer Porendurchmesser im Bereich von 10 μm bis 30 μm) ohne mikroporöser Kohlenstoffschicht (mittlerer Porendurchmesser im Bereich von 100 nm bis 500 nm).
Vergleichsprobe 1 :
Die katalysatorbeschichtete Gasdiffusionselektrode (GDE) wurde hergestellt, indem die Katalysatorformulierung mittels Siebdruck auf die mikroporöse Kohlenstoffschicht (MPL) einer mit Teflon imprägnierten Gasdiffusionslage (GDL) (H2315 1X11 CX45) der Firma Freudenberg aufgedruckt wurde. Die Dicken und Beladungen der GDE sind in Tabelle 1 aufgelistet.
Probe 1 :
Eine mit Teflon imprägnierte GDL mit mikroporöser Kohlenstoffschicht (MPL) der Firma Freudenberg (H2315 1X11 CX45) wurde durch Sprühen von zusätzlich 0,35 mgτefion/cm2 Teflon auf die Rückseite (MPL abgewandte Seite) des GDL-Materials beschichtet. Anschließend wurde bei 3400C 2 Stunden lang temperiert.
Die resultierende GDL umfasste eine erste makroporöse Gasdiffusionsschicht (mittlere Porengröße im Bereich von 10 μm bis 30 μm) und eine zweite makroporöse Gasdiffusionsschicht (mittlere Porengröße im Bereich von 10 μm bis 30 μm), wobei die erste makroporöse Gasdiffusionsschicht eine höhere Polytetrafluoroethylen-Konzentration als die zweite makroporöse Gasdiffusionsschicht aufwies.
Die katalysatorbeschichtete Gasdiffusionselektrode (GDE) wurde im Anschluss durch Siebdrucken auf diese GDL (MPL-Seite) hergestellt. Die Dicken und Beladungen der GDE sind in Tabelle 1 aufgelistet. Vergleichsprobe 2:
Es wurde versucht, die Katalysatorformulierung auf eine mit Teflon imprägnierte GDL (H2315 1X11 , ohne MPL) der Firma Freudenberg mittels Siebdruck zu drucken. Diese GDL ließ sich mit der Katalysatortinte nicht bedrucken.
Probe 2:
Eine mit Teflon imprägnierte GDL (H2315 1X11 , ohne MPL) der Firma Freudenberg wurde mit zusätzlich 0,29 mgTefion/cm2 Teflon auf der für den Katalysatorauftrag vorgesehenen Seite durch Sprühen beschichtet. Die Probe wurde dann bei 3400C 2 Stunden lang temperiert.
Die resultierende GDL umfasste eine erste makroporöse Gasdiffusionsschicht (mittlere Porengröße im Bereich von 10 μm bis 30 μm) und eine zweite makroporöse Gasdiffusionsschicht (mittlere Porengröße im Bereich von 10 μm bis 30 μm), wobei die erste makroporöse Gasdiffusionsschicht eine höhere Polytetrafluoroethylen-Konzentration als die zweite makroporöse Gasdiffusionsschicht aufwies.
Die katalysatorbeschichtete Gasdiffusionselektrode (GDE) wurde im Anschluss durch Siebdrucken auf diese GDL hergestellt. Die Dicken und Beladungen der GDE sind in Tabelle 1 aufgelistet.
Probe 3:
Eine mit Teflon imprägnierte GDL (H2315 1X11 , ohne MPL) der Firma Freudenberg wurde mit zusätzlich 1 ,45 mgTefion/cm2 Teflon auf der für den Katalysatorauftrag bestimmten Seite durch Sprühen beschichtet und dann bei 3400C 2 Stunden lang temperiert.
Die resultierende GDL umfasste eine erste makroporöse Gasdiffusionsschicht (mittlere Porengröße im Bereich von 10 μm bis 30 μm) und eine zweite makroporöse Gasdiffusionsschicht (mittlere Porengröße im Bereich von 10 μm bis 30 μm), wobei die erste makroporöse Gasdiffusionsschicht eine höhere Polytetrafluoroethylen-Konzentration als die zweite erste makroporöse Gasdiffusionsschicht aufwies. Die katalysatorbeschichtete Gasdiffusionselektrode (GDE) wurde im Anschluss durch Siebdrucken auf diese GDL hergestellt. Die Dicken und Beladungen der GDE sind in Tabelle 1 aufgelistet.
Probe 4:
Eine mit Teflon imprägnierte Gasdiffusionslage (GDL) der Firma Freudenberg (H2315 1X11 , ohne MPL) wurde beidseitig mit jeweils mit 0,4 mgTefion/cm2 Teflon durch Sprühen beschichtet und anschließend bei 34O0C 2 Stunden lang temperiert.
Die resultierende GDL umfasste eine erste makroporöse Gasdiffusionsschicht (mittlere Porengröße im Bereich von 10 μm bis 30 μm) und eine zweite makroporöse Gasdiffusionsschicht (mittlere Porengröße im Bereich von 10 μm bis 30 μm), wobei die erste makroporöse Gasdiffusionsschicht eine höhere Polytetrafluoroethylen-Konzentration als die zweite erste makroporöse Gasdiffusionsschicht aufwies.
Die katalysatorbeschichtete Gasdiffusionselektrode (GDE) wurde im Anschluss durch Siebdrucken (einseitig) auf diese GDL hergestellt. Die Dicken und Beladungen der GDE sind in Tabelle 1 aufgelistet.
Tabelle 1 : Schichtdicken und Katalysatorbeladungen
MEA-Herstellung und Zellmessung:
Für die Zelltests wurden MEAs (Membran-Elektroden-Assembly) symmetrisch aus den so hergestellten GDEs (Anode und Kathode gleich) und Celtec-P Membranen zusammengesetzt. Mit einem Abstandshalter wurde bei 1400C 30 Sekunden lang auf 75% der Ausgangsdicke verpresst. Die aktive Fläche der MEA betrug 45cm2. Anschließend wurden die Proben in den Zellblock eingebaut und dann bei 16O0C, unter Verwendung von H2 (Anoden-Stöchiometrie 1 ,2) und Luft (Kathoden- Stöchiometrie 2) getestet. Die Leistung der Proben bei 0,6 A/cm2 wird in Tabelle 2 verglichen.
Tabelle 2: Leistung der Proben bei 0,6A/cm2

Claims

Patentansprüche:
1. Membran-Elektrodeneinheit, umfassend mindestens eine Phosphorsäure-haltige Polymerelektrolytmembran und mindestens eine Gas-Diffusionselektrode, wobei die Gas-Diffusionselektrode umfasst: i. mindestens eine Katalysatorschicht und ii. mindestens ein Gasdiffusionsmedium, aufweisend mindestens zwei Gasdiffusionsschichten,
■ wobei die erste Gasdiffusionsschicht eine elektrisch leitende makroporöse Schicht umfasst, bei welcher die Poren einen mittleren Porendurchmesser im Bereich von 10 μm bis 30 μm aufweisen,
■ wobei die zweite Gasdiffusionsschicht eine elektrisch leitende makroporöse Schicht umfasst, bei welcher die Poren einen mittleren Porendurchmesser im Bereich von 10 μm bis 30 μm aufweisen,
■ wobei das Gasdiffusionsmedium Polytetrafluoroethylen enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gasdiffusionsschicht eine höhere Polytetrafluoroethylen- Konzentration aufweist als die zweite Gasdiffusionsschicht.
2. Membran-Elektrodeneinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gasdiffusionsschicht zwischen der ersten Gasdiffusionsschicht und der Katalysatorschicht angeordnet ist.
3. Membran-Elektrodeneinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gasdiffusionsschicht zwischen der zweiten Gasdiffusionsschicht und der Katalysatorschicht angeordnet ist.
4. Membran-Elektrodeneinheit nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gasdiffusionsschicht eine Dicke größer 1 μm aufweist.
5. Membran-Elektrodeneinheit nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gasdiffusionsschicht eine Fluorkonzentration größer 0,35 mg/cm2 aufweist.
6. Membran-Elektrodeneinheit nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gasdiffusionsschicht eine Fluorkonzentration kleiner 0,30 mg/cm2 aufweist.
7. Membran-Elektrodeneinheit nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Fluorkonzentration in der ersten Gasdiffusionsschicht zur Fluorkonzentration in der zweiten Gasdiffusionsschicht größer 1 ,1 :1 ist.
8. Membran-Elektrodeneinheit nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gasdiffusionsschicht mehr als 30 Gew.-% Polytetrafluoroethylen, bezogen auf das Gesamtgewicht an Polytetrafluoroethylen und an Russpartikeln mit einer Partikelgröße kleiner 100 nm, enthält.
9. Membran-Elektrodeneinheit nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, im Querschnitt, die erste Gasdiffusionsschicht die ersten 5 % bis 30 % des Gasdiffusionsmediums ausmachen, bezogen auf die Gesamtdicke des Gasdiffusionsmediums.
10. Membran-Elektrodeneinheit nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorschicht sulfoniertes Polytetrafluorethylen enthält.
11. Membran-Elektrodeneinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an sulfoniertem Polytetrafluorethylen in der Katalysatorschicht im Bereich von 10 Gew.-% bis 300 Gew.-% liegt, bezogen auf das Gesamtgewicht des katalytisch aktiven Materials.
12. Membran-Elektrodeneinheit nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an unsulfoniertem Polytetrafluorethylen in der Katalysatorschicht kleiner 100 Gew.-% ist, bezogen auf das Gesamtgewicht an sulfoniertem Polytetrafluorethylen in der Katalysatorschicht.
13. Membran-Elektrodeneinheit nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein Polyazol umfasst.
14. Membran-Elektrodeneinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyazol wiederkehrende Azoleinheiten der allgemeinen Formel (I) und/oder (II) und/oder (III) und/oder (IV) enthält
worin
Ar gleich oder verschieden sind und für eine vierbindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar1 gleich oder verschieden sind und für eine zweibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar2 gleich oder verschieden sind und für eine zwei oder dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar3 gleich oder verschieden sind und für eine dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar4 gleich oder verschieden sind und für eine dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann, X gleich oder verschieden ist und für Sauerstoff, Schwefel oder eine
Aminogruppe, die ein Wasserstoffatom, eine 1 - 20 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl- oder Alkoxygruppe, oder eine Arylgruppe als weiteren
Rest trägt n eine ganze Zahl größer gleich 10, bevorzugt größer gleich 100 ist.
15. Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektrodeneinheit nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem man i.) Polytetrafluoroethylen auf ein Gasdiffusionsmedium aufbringt, das eine elektrisch leitende makroporöse Schicht umfasst, bei welcher die Poren einen mittleren Porendurchmesser im Bereich von 10 μm bis 30 μm aufweisen, ii.) das Gasdiffusionsmedium aus Schritt i) bei Temperaturen größer 1000C tempert, iii.) ein Katalysatormaterial auf das Gasdiffusionsmedium aus Schritt ii) aufbringt.
16. Brennstoffzelle, umfassend mindestens eine Membran-Elektrodeneinheit nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14.
17. Verwendung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 16 zur Stromerzeugung bei einer Temperatur größer 1000C.
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