EP4285426A1 - Mehrlagiges beschichtungssystem, insbesondere zur anbringung an einer brennstoffzelle, sowie brennstoffzelle mit einem derartigen beschichtungssystem - Google Patents

Mehrlagiges beschichtungssystem, insbesondere zur anbringung an einer brennstoffzelle, sowie brennstoffzelle mit einem derartigen beschichtungssystem

Info

Publication number
EP4285426A1
EP4285426A1 EP21844012.1A EP21844012A EP4285426A1 EP 4285426 A1 EP4285426 A1 EP 4285426A1 EP 21844012 A EP21844012 A EP 21844012A EP 4285426 A1 EP4285426 A1 EP 4285426A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
coating system
hydrogen
hydrogen carrier
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21844012.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Wasserscheid
Patrick PREUSTER
Simon Thiele
Gabriel Sievi
Karsten Müller
Andreas BÖSMANN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hydrogenious Technologies GmbH
Original Assignee
Hydrogenious LOHC Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hydrogenious LOHC Technologies GmbH filed Critical Hydrogenious LOHC Technologies GmbH
Publication of EP4285426A1 publication Critical patent/EP4285426A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/22—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/501—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion
    • C01B3/503—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion characterised by the membrane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0637—Direct internal reforming at the anode of the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/22—Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising carbon or oxygen or hydrogen and other elements; Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising only elements other than carbon, oxygen or hydrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0266—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a decomposition step
    • C01B2203/0277—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a decomposition step containing a catalytic decomposition step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0405—Purification by membrane separation
    • C01B2203/041—In-situ membrane purification during hydrogen production
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C01B2203/067—Integration with other chemical processes with fuel cells the reforming process taking place in the fuel cell
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1217—Alcohols
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Multi-layer coating system in particular for attachment to a fuel cell, and fuel cell with such a coating system
  • the invention relates to a multi-layer coating system, in particular for attachment to a fuel cell, and to a fuel cell with such a coating system.
  • Fuel cells are used to generate electricity from hydrogen gas.
  • DE 10 2017 209 891 A1 discloses advantageous operation of a so-called direct fuel cell with a secondary alcohol which can be converted into a ketone with the release of hydrogen gas and the hydrogen gas can be converted into electricity in the direct fuel cell.
  • the object of the invention is to improve the design and operation of a fuel cell, in particular a direct fuel cell.
  • the core of the invention is that a multi-layer coating system is provided that can be attached in particular to a fuel cell.
  • the multi-layer coating system includes a first cata- lysator layer with a first catalyst material for dehydrogenating a hydrogen carrier material.
  • the dehydration of the hydrogen carrier material releases hydrogen which is chemically bound to the hydrogen carrier material.
  • the dehydrogenation converts the hydrogen carrier material from a hydrogen-rich form into a hydrogen-poor form.
  • the hydrogen carrier material in the hydrogen-rich form is a secondary alcohol in the general representation with organyl radicals XI, X2, which are in particular alkyl radicals, alkenyl radicals, aryl radicals and/or benzyl radicals.
  • the hydrogen carrier material of the hydrogen-poor form is a ketone with the organyl radicals XI, X2, which are in particular alkyl radicals, alkenyl radicals, aryl radicals and/or benzyl radicals. The ketone can be broken down into the structural formula represent.
  • the hydrogen carrier material can be liquid and/or gaseous.
  • the multilayer coating system includes a barrier layer that is impervious to the hydrogen carrier material.
  • the barrier layer is non-wetting to the hydrogen carrier material.
  • the barrier layer is impermeable to the hydrogen carrier material.
  • the barrier layer is permeable to the hydrogen gas released during the dehydrogenation, ie permeable.
  • the first catalyst layer for the dehydrogenation of the hydrogen carrier material is dehydrogenated at the first catalyst layer but cannot penetrate the barrier layer. Due to the fact that the barrier layer has a selective permeability, the released hydrogen gas passes, in particular exclusively, through the barrier layer and can advantageously be converted into electricity in the fuel cell arranged behind the barrier layer. In particular, the hydrogen gas is available at an interface of the barrier layer. It is possible that at least small proportions of the hydrogenated and/or dehydrogenated hydrogen carrier material can reach the interface of the barrier layer.
  • the proportions of the hydrogenated and/or dehydrogenated hydrogen carrier material at the interface of the barrier layer are at most 30% by volume based on the material at the interface of the barrier layer, in particular at most 25% by volume, in particular at most 20% by volume, in particular at most 15% by volume , in particular at most 12% by volume, in particular at most 10% by volume, in particular at most 8% by volume and in particular at most 5% by volume.
  • the first catalyst layer is separated from the fuel cell and in particular from a fuel cell membrane by the barrier layer.
  • the first catalyst layer is arranged facing away from the fuel cell and in particular the fuel cell membrane.
  • the first catalyst layer and/or the barrier layer each have a layer thickness between 10 nm and 500 ⁇ m, in particular between 20 nm and 400 ⁇ m, in particular between 40 nm and 300 ⁇ m, in particular between 50 nm and 200 ⁇ m, in particular between 75 nm and 150 pm, in particular between 100 nm and 100 pm, in particular between 200 nm and 50 pm, in particular between 500 nm and 10 pm, in particular between 1 pm and 5 pm.
  • the first catalyst layer and/or the barrier layer can have the same or different layer thicknesses.
  • the ratio of the smaller layer thickness to the larger layer thickness is between 0.001 and 0.9, in particular between 0.002 and 0.8, in particular between 0.005 and 0.7, in particular between 0.01 and 0.5, in particular between 0.03 and 0.3, in particular between 0.05 and 0.2, in particular between 0.1 and 0.15.
  • the coating system according to the invention can advantageously be constructed and manufactured by additive manufacturing processes.
  • Additive manufacturing methods that can process ink are particularly suitable, in particular methods of spray coating, slot nozzle coating, 3D printing, aerosol printing, laser and/or electron beam sintering, screen printing methods, flexographic printing methods, sputtering and/or gravure methods.
  • a gravure method is understood to mean a gravure printing method, in particular a rotogravure printing method, in which an image is engraved on an image carrier. Using intaglio, the image is engraved on a cylinder used as in offset printing.
  • additive manufacturing processes are suitable for layer production.
  • the properties of the individual layers, in particular the barrier layer and/or the first catalyst layer in a targeted manner and in particular to set a gradient within the respective layer in order in particular to improve and in particular promote gas transport through the layers.
  • the properties of the individual layers can be set to be variable along the layer thickness direction and/or in a plane transverse and in particular perpendicular to the layer thickness direction and in particular have a gradient.
  • a gradient is understood to mean, in particular, a property change along a direction of change, it being possible for the direction of change to be oriented transversely and in particular perpendicularly along the layer thickness direction.
  • the respective gradient results in particular from the fact that the property changes from a maximum value to a minimum value or vice versa.
  • the course of the gradient between the minimum and maximum value can be linear or non-linear, in particular curved and in particular progressive or degressive.
  • the value range which is limited at the bottom by the minimum value and at the top by the maximum value, is for the porosity between 20% and 80%, in particular between 10% and 90%, in particular between 5% and 95% and in particular between 1% and 99%.
  • the range of values for the pore size is between 100 nm and 10 ⁇ m, in particular between 10 nm and 100 ⁇ m, in particular between 1 nm and 500 ⁇ m and in particular between 0.1 nm and 1 mm.
  • the range of values for the particle size is between 100 nm and 10 ⁇ m, in particular between 10 nm and 100 ⁇ m, in particular between 1 nm and 500 ⁇ m and in particular between 0.1 nm and 1 mm.
  • the range of values for the amount of particles is between 0.1 and 1 g/cm 2 .
  • the range of values for the wetting angle is between 45° and 135°, in particular between 30° and 150°, in particular between 15° and 165°, in particular between 5° and 175° and in particular between 0° and 180°.
  • the gradient profiles have at least one local minimum and/or at least one local maximum. It is for example, it is conceivable that along the layer thickness direction the property value has values at the surface of the layer thickness that are smaller than a local maximum value within the layer.
  • a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell known from the prior art can advantageously be retrofitted with the coating system according to the invention.
  • a PEM fuel cell has improved functionality and is particularly suitable for use with secondary alcohols or other hydrogen carrier materials.
  • a coating system according to claim 2 is designed to be particularly compact and robust.
  • the barrier layer is formed immediately adjacent to the first catalyst layer.
  • the first catalyst layer and the barrier layer form a two-layer but one-piece combination layer.
  • a first catalyst material according to claim 3 has proven to be particularly advantageous for the dehydrogenation of the hydrogen carrier material.
  • the first catalyst material can have platinum, iridium, osmium, ruthenium, rhodium and/or palladium.
  • the first catalyst material can include metals such as copper, cobalt, nickel, silver, gold and/or phosphorus.
  • the first catalyst material can have nitrogen-based materials such as, for example, iron-nitrogen complexes, in which, for example, graphene can be embedded.
  • Catalyst materials of this type are, for example, Fe-NC compounds. Phosphorus and/or sulfur dopings are also possible.
  • a porous barrier layer according to claim 4 ensures advantageous transport of the hydrogen gas through the barrier layer.
  • the hydrogen carrier material is prevented from passing through the barrier layer.
  • the porous barrier material allows retention of the hydrogen carrier material as a result of interaction with the pore walls through optimal bonding properties between the hydrogen carrier material and the pore walls.
  • the porous barrier layer comprises one or more materials such as carbon, metals, polytetrafluoroethylene, zeolites, i.e. crystalline aluminosilicates, metal-organic framework compounds, i.e. metal-organic frameworks (MOFs), polybenzimidazoles (PBI), polyetheretherketone (PEEK) and/or ionomers, in particular a perfluorinated copolymer comprising a sulfo group as an ionic group, and/or alkaline ionomers, and/or perfluorosulfonic acids (PFSA), in particular derivatives thereof.
  • materials such as carbon, metals, polytetrafluoroethylene, zeolites, i.e. crystalline aluminosilicates, metal-organic framework compounds, i.e. metal-organic frameworks (MOFs), polybenzimidazoles (PBI), polyetheretherketone (PEEK) and/or ionomers,
  • a porosity of the barrier layer according to claim 5 has proven to be advantageous for the hydrogen transport on the one hand and the retention of the hydrogen carrier material on the other hand.
  • the barrier layer according to claim 6 can be made non-porous, ie impervious.
  • the hydrogen gas is then transported through the barrier layer by means of diffusion.
  • the barrier layer has a hydrogen diffusion coefficient that is greater than a hydrogen carrier material diffusion coefficient.
  • the hydrogen carrier material diffusion coefficient is at most 10' 15 m 2 / s, in particular at most 10' 14 m 2 / s, in particular at most 10' 13 m 2 / s, in particular at most 10' 12 m 2 / s, in particular at most 10' 11 m 2 /s, in particular at most 10' 10 m 2 /s.
  • Plastics in particular polymers, in particular a perfluorinated copolymer containing a sulfo group as an ionic group, or polytetrafluoroethylene (PTFE) are suitable for a non-porous, ie impermeable, embodiment of the barrier layer.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • a gas diffusion layer according to claim 7 represents an additional barrier for the hydrogen carrier material.
  • the proportion of the hydrogen carrier material which reaches the fuel cell is additionally reduced.
  • the gas diffusion layer is arranged on a side opposite the first catalyst layer with respect to the barrier layer.
  • the gas diffusion layer is formed in particular from porous carbon fibers.
  • the gas diffusion layer comprises carbon fiber nonwovens and in particular a layer of carbon black.
  • the gas diffusion layer can additionally or alternatively have carbon, titanium and/or stainless steel.
  • the porous carbon fibers of the gas diffusion layer are connected to the barrier layer in particular by the contact pressure via the cell plates and/or by means of a thermal pressure process.
  • the gas diffusion layer has a layer thickness between 10 ⁇ m and 10 mm, in particular between 100 ⁇ m and 1 mm.
  • a further barrier layer according to claim 8 additionally reduces the risk that the hydrogen carrier material reaches the fuel cell.
  • the further barrier layer is identical to the barrier layer arranged on the first catalyst layer.
  • the further barrier layer can have a different layer thickness and/or a different ches material such as the barrier layer arranged on the first catalyst layer.
  • the embodiment of the coating system according to claim 9 is particularly suitable for the direct and in particular one-piece attachment of the coating system to an already existing fuel cell. Due to the fact that the coating system is designed over a large area and in particular over the entire surface, that is to say without interruption, a robust and long-lasting connection of the coating system to the fuel cell is made possible.
  • a coating system has at least one hydrogen carrier flow channel in which the hydrogen carrier material can flow.
  • the hydrogen carrier flow channel has a closed flow channel wall in a circumferential direction, viewed with respect to the direction of flow, so that an unintentional escape of the hydrogen carrier material from the hydrogen carrier flow channel is prevented.
  • the flow channel wall has the barrier layer at least in regions. In these areas, hydrogen gas released by dehydrogenation of the hydrogen carrier material in the hydrogen carrier flow channel may leak out of the hydrogen carrier flow channel. Due to the size of the areas in which the barrier layer is arranged and the arrangement of the areas in which the barrier layer is arranged, the hydrogen gas can be released from the hydrogen carrier flow channel in a targeted manner.
  • Such a coating system enables liquid water and/or other liquids to be transported away better.
  • the transport port of liquid is possible in particular in a plane perpendicular to the direction of gas flow through the coating system. Gas transport perpendicular to the coating system is essentially unhindered.
  • the dehydrogenation is ensured in the hydrogen carrier flow channel.
  • a hydrogen carrier transport layer according to claim 12 improves the transport of the hydrogen carrier material.
  • the hydrogen carrier transport layer can be embodied as a separate layer and is in particular embodied adjacent to the first catalyst layer and in particular surrounded by the first catalyst layer.
  • the hydrogen carrier transport layer can be mixed with the first catalyst layer and in particular can be embodied as a mixed layer in which the material for the hydrogen carrier transport layer and the first catalyst material are mixed.
  • the hydrogen carrier transport layer includes metal, carbon, plastics and/or composite materials.
  • Composite materials are understood to be composite materials which consist of one or more transport layer elements, in particular of different transport layer elements, which are in particular graded in different ways, ie have different property gradients.
  • the transport layer elements form a self-contained hydrogen carrier transport layer.
  • the hydrogen carrier flow channel can be designed without a hydrogen carrier transport layer.
  • a hollow space can be provided in the hydrogen carrier flow channel.
  • the water hydrogen carrier material are also transported through the first catalyst layer.
  • a coating system according to claim 13 has improved flow characteristics for the gas flows perpendicular to the coating system and liquid in a plane parallel to the coating system.
  • the coating system has a plurality of hydrogen carrier flow channels, with a fluid flow channel being arranged between two adjacent hydrogen carrier flow channels.
  • the coating system does not have a full-surface, ie not an uninterrupted, structure, but rather an interrupted structure.
  • a fuel cell according to claim 14 with the multi-layer coating system essentially has the advantages of the coating system itself, to which reference is hereby made.
  • the multilayer coating system with the first catalyst layer is arranged at a distance from a second catalyst layer.
  • the second catalyst layer comprises a second catalyst material for hydrogen oxidation of the hydrogen gas released from the hydrogen carrier material.
  • the second catalyst material is, in particular, a metal-containing electrocatalyst which, in particular, has platinum. Additionally or alternatively, the second catalyst material can have ruthenium, palladium, iridium, gold, silver, rhenium, rhodium, copper, nickel, cobalt, iron, manganese, chromium, molybdenum and/or vanadium.
  • the metals of the second catalyst material are present in particular as elemental metals, metal oxides and/or metal hydroxides. Mixed catalysts containing platinum and ruthenium have proven particularly advantageous nium, in particular in elemental form and/or in oxidic form.
  • the first catalyst layer is spatially separated from the second catalyst layer at least by the barrier layer. Further layers can be arranged between the first catalyst layer and the second catalyst layer.
  • the coating system is directly and robustly attached to and connected to the fuel cell.
  • the coating system can be materially bonded to the second catalyst layer. Additionally or alternatively, the coating system can be bonded to an intermediate layer, with the intermediate layer itself being bonded to the second catalyst layer.
  • the multi-layer coating system is materially connected to the fuel cell.
  • the intermediate layer itself can have one or more layers, in particular a gas diffusion layer and/or a further barrier layer.
  • the coating system is connected indirectly to the second catalyst layer through the intermediate layer.
  • a fuel cell of this type can be produced advantageously and robustly, in particular by additive manufacturing methods, by applying the multi-layer coating system directly to an existing fuel cell.
  • the multi-layer coating system according to claim 16 can be held on a carrier element.
  • the carrier element can be detachably connected to an already existing fuel cell.
  • the carrier element is designed in particular in the form of a plate.
  • the carrier element can be attached to the second catalyst layer in particular in a detachable manner.
  • the carrier element can be designed so that it can be attached to an intermediate layer that is integrally bonded to the second catalyst layer.
  • the detachable attachment of the carrier element is particularly advantageous if the coating system has a plurality of hydrogen carrier flow channels and fluid flow channels arranged between them.
  • the multi-layer coating system can be placed on an already existing fuel cell by means of the carrier element and assembled and disassembled on it.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a fuel cell with a multilayer coating system according to the invention according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows an enlarged sectional view of the attachment of the multi-layer coating system to the fuel cell according to FIG. 1, 3 shows a representation corresponding to FIG. 2 of a coating system according to a second exemplary embodiment,
  • FIG. 4 shows a representation of a fuel cell corresponding to FIG. 2 with a coating system held on a carrier element according to a third exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic diagram to explain the fluid flows in the fuel cell according to FIG. 4,
  • FIG. 6 shows a representation corresponding to FIG. 4 of a multi-layer coating system with a carrier element according to a fourth exemplary embodiment.
  • a fuel cell denoted as a whole by 1 in FIG. 1 is a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell which is designed with a multilayer coating system 2 according to the invention.
  • PEM fuel cell is composed of Qi, Z; Kaufmann A.: “Permormance of 2-Propanol in Direct-Oxidation Fuel Celis", Journal of Power Sources 112 (2002) 121-129, which is expressly referred to with regard to the basic structure and the function of the PEM fuel cell 1 .
  • the coating system 2 is shown in a purely schematic and simplified manner in FIG. The specific configuration of the coating system 2 is explained in detail in the following figures.
  • the coating system 2 is provided on the fuel cell 1, a bipolar plate and/or a gas diffusion position, which are provided in a standard fuel cell, dispensable.
  • the structure of the fuel cell 1 is simplified as a result. However, it is also possible to provide the bipolar plate and/or the gas diffusion layer.
  • the fuel cell 1 has an anode 3 and a cathode 4 .
  • a proton-conducting membrane 5 Directly connected to the anode 3 is a proton-conducting membrane 5, which is made in particular of a perfluorinated copolymer containing a sulpho group as the ionic group.
  • the membrane 5 is arranged between the anode 3 and the cathode 4 .
  • the anode 3 has a catalyst layer 6 for hydrogen oxidation of hydrogen gas.
  • the catalyst layer 6 has a catalyst material suitable for this purpose.
  • the coating system 2 is attached directly to the anode 3, in particular to the catalyst layer 6, and is directly connected to it.
  • an educt collecting tank 7 with an educt inflow opening 8 and an educt outflow opening 9 is provided on the anode side.
  • a hydrogen carrier material in a hydrogen-rich form in particular as a secondary alcohol, is provided as starting material.
  • the coating system 2 is shown in more detail in FIG.
  • the coating system 2 comprises a further catalyst layer 15 comprising a catalyst material for dehydrogenating a hydrogen carrier material.
  • the catalyst layer 15 is also referred to as the first catalyst layer.
  • the catalyst layer 6 is correspondingly referred to as the second catalyst layer.
  • the first catalyst layer 15 is spatially separated from the second catalyst layer 6 by a barrier layer 16 .
  • the barrier layer 16 is formed by a microporous layer of polytetrafluoroethylene (PTFE) mixed with carbon particles.
  • the barrier layer 16 prevents hydrogen carrier material from being able to reach the anode 3 and in particular the second catalyst layer 6 .
  • the barrier layer 16 is permeable to hydrogen gas.
  • the first catalyst layer 15 is arranged on the outside. Along a thickness direction 17, the barrier layer 16, the anode 3 with the second catalyst layer 6 and the membrane 5 connect.
  • the anode 3 is represented with the second catalyst layer 6 as a homogeneous, continuous layer. It is also conceivable that the second catalyst layer 6 is arranged on the outside of the anode 3 , in particular facing the coating system 2 .
  • the first catalyst layer 15 is arranged facing away from the barrier layer 16 of the fuel cell 1, in particular the anode 3 and/or the membrane 5.
  • the first catalyst layer 15 is arranged facing the educt collection container 7 so that the hydrogen carrier material can come into direct contact with the first catalyst layer 15 .
  • a hydrogen-rich form of a hydrogen carrier material in particular a secondary alcohol, in particular isopropanol, which is also known as 2-propanol, is fed to the fuel cell 1 in an educt collection container 7 .
  • the hydrogen carrier material can be gaseous and/or liquid.
  • the hydrogen-rich form of the hydrogen carrier material is dehydrogenated at the first catalyst layer 15, that is to say it is converted into a hydrogen-poor form, in particular into a ketone, in particular into acetone, with the release of hydrogen gas.
  • the low-hydrogen form of the hydrogen carrier material is discharged from the educt collection tank 7 via the educt outflow opening 9 .
  • the low-hydrogen form of the hydrogen carrier material can then be hydrogenated again, ie enriched with hydrogen, and made available again as hydrogen carrier material for the fuel cell 1 .
  • hydrogen transfer hydrogenation by means of a hydrogen storage material in particular a liquid organic hydrogen storage material (LOHC)
  • LOHC liquid organic hydrogen storage material
  • the transfer hydrogenation of the hydrogen carrier material by means of the hydrogen storage material mentioned reference is made to DE 10 2017 209 891 A1. Because the barrier layer 16 is impermeable to the hydrogen carrier material, only the released hydrogen gas passes through the barrier layer 16 to the anode 3 with the second catalyst layer 6. The hydrogen gas can flow in the direction of thickness 17 through the coating system 2 to the anode 3.
  • the hydrogen gas is provided at an interface of the barrier layer 16 adjoining the anode 3 , in particular the second catalyst layer 6 .
  • the hydrogen gas dissociates on the anode side and is oxidized to two protons H + each, giving off two electrons e'. These protons diffuse through the membrane 5.
  • oxygen is reduced by the electrons e', which could perform electrical work in an external circuit.
  • Water is formed together with the protons H + transported through the membrane 5 .
  • anode 3 and cathode 4 are connected to electrical consumer 18 .
  • An electric motor serves as the electrical load 18 .
  • a second exemplary embodiment of the invention is described below with reference to FIG. 3 .
  • Structurally identical parts are given the same reference numbers as in the first exemplary embodiment, to the description of which reference is hereby made.
  • Structurally different, but functionally similar parts are given the same reference numbers with a suffix a.
  • the coating system 2 according to the second exemplary embodiment additionally has a further barrier layer 19, with a gas diffusion layer 20 made of porous carbon fiber between the barrier layers 16, 19. sem is arranged.
  • the coating system 2 according to the first exemplary embodiment can be expanded by the gas diffusion layer 20 and the further barrier layer 19 and then attached to the fuel cell 1 as shown in FIG. 2 .
  • the coating system 2 comprises the first catalyst layer 15 lying on the outside, with the barrier layer 16 , the gas diffusion layer 20 and the further barrier layer 19 adjoining it along the direction of thickness 17 .
  • the coating system 2--as in the first exemplary embodiment--only has the first catalyst layer 15 and the barrier layer 16, with the gas diffusion layer 20 and the further barrier layer 19 already being provided on the fuel cell 1 before the coating system 2 is applied.
  • Such a structure is common, for example, in a standard PEM fuel cell.
  • FIGS. A third exemplary embodiment of the invention is described below with reference to FIGS. Structurally identical parts are given the same reference numbers as in the first exemplary embodiments, the description of which is hereby referred to. Structurally different but functionally similar parts are given the same reference numbers with a suffix b.
  • the coating system 2b is not attached directly to the anode 3 of the fuel cell 1 as a continuous layer.
  • the coating system 2b has a carrier plate 21 on the underside 22 of which a plurality of hydrogen carrier flow channels 23 are arranged.
  • the carrier plate 21 can be attached directly to the fuel cell, for example, so rest against it and / or with it, in particular directly to be connected.
  • the carrier plate 21 can in particular rest directly on the second catalyst layer 6, on the further barrier layer 19 or on the gas diffusion layer 20 and/or be connected thereto.
  • a fluid flow channel 24 which is formed by the intermediate space between two hydrogen carrier flow channels 23 , is arranged between two adjacent hydrogen carrier flow channels 23 .
  • the hydrogen carrier flow channels 23 each specify a flow direction 25, in particular for the hydrogen carrier material. According to FIG. 4, the direction of flow 25 is oriented perpendicularly to the plane of the drawing.
  • the hydrogen carrier flow channel 23 has a closed flow channel wall in the circumferential direction, which wall is essentially rectangular.
  • the flow channel wall is formed by a U-profile shape of the barrier layer 16b, the open U of the barrier layer 16b being closed by the carrier plate 21.
  • the flow channel wall can also have another closed contour, in particular triangular, pentagonal, hexagonal, octagonal or in another polygonal shape.
  • the contour of the flow channel wall can also be curved at least in sections, in particular round or oval.
  • the support plate 21 and each of the U-shaped barrier layers 16b enclose an internal cavity in which a hydrogen carrier transport layer 26 surrounded by the first catalyst layer 15 is arranged.
  • the coating system 2b with the hydrogen carrier flow channels 23, which are also referred to as webs, and the fluid flow channels 24 can be used as a dehydrogenation attachment on a standard PEM fuel cell a membrane 5, an anode 3 with a second catalyst layer 6, a further barrier layer 19 and a gas diffusion layer 20 are attached.
  • the coating system 2b can be attached in a detachably connectable manner.
  • the hydrogen carrier material is supplied to the hydrogen carrier flow channels 23 in its hydrogen-rich form.
  • the hydrogen carrier material flows through the hydrogen carrier flow channels 23 along the direction of flow 25. Due to the hydrogen carrier transport layer 26, the flow of the hydrogen carrier material is promoted. Because the hydrogen carrier material comes into contact with the first catalyst layer 15 while flowing along the flow direction 25, hydrogen gas is released and the hydrogen carrier material is converted into the hydrogen-poor form.
  • the hydrogen gas can leak out of the hydrogen carrier flow channel 23 in the areas in which the flow channel wall is formed by the barrier layer 16b.
  • the barrier layer 16b prevents the hydrogen carrier material from escaping from the hydrogen carrier flow channel 23.
  • side walls 27 are fastened in one piece to the carrier plate 21 and define the hydrogen carrier flow channels 23 .
  • the side walls 27 are milled from a plate.
  • a hydrogen carrier flow channel 23 and a fluid flow channel 24 are formed between two adjacent side walls 27, in particular alternately.
  • the hydrogen carrier transport layer 26, the first catalyst layer 15, and the barrier layer 16 are sequentially arranged.
  • the coating system 2c in particular the carrier plate 21 with the side walls 27, can be produced in a particularly uncomplicated and cost-efficient manner.
  • the production of the coating system 2c is simplified.
  • the coating system 2c can be made available as a compact unit for upgrading an already existing PEM fuel cell.
  • the carrier plate 21 is made in particular from metal, in particular high-grade steel and/or noble metal.
  • the carrier plate 21 is made in particular from titanium and/or carbon. It is conceivable to use metal foils to produce the carrier plate 21 .
  • the carrier plate 21 can also have plastic material.
  • the wall thickness of the side walls 27 is between 10 gm and 5 mm, in particular between 50 gm and 3 mm, in particular between 100 gm and 2 mm, in particular between 500 gm and 1 mm.
  • the widths of the webs and channels are between 100 gm and 5 mm, in particular between 500 gm and 1 mm.
  • the ratio of the widths of the webs and the channels in relation to the wall thickness of the side walls 27 can be between 5:1 and 1:5, in particular between 3:1 and 1:3, in particular between 2:1 and 1:2 and in particular 1:1 be.
  • an electrolytic capacitor with a coating system according to the invention, the coating system having a catalytically active layer in order to convert the hydrogen carrier material from the hydrogen-poor form into the hydrogen-rich form, ie to hydrogenate it.
  • the PEM fuel cell which can be operated in the reverse direction, can serve as the electrolyzer.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

Ein mehrlagiges Beschichtungssystem (2) dient insbesondere zur Anbringung an einer Brennstoffzelle (1) und umfasst eine erste Katalysatorschicht mit einem ersten Katalysatormaterial zum Dehydrieren eines Wasserstoffträgermaterials und eine das Wasserstoffträgermaterial undurchlässige Sperrschicht.

Description

Mehrlagiges Beschichtungssystem, insbesondere zur Anbringung an einer Brennstoffzelle, sowie Brennstoffzelle mit einem derartigen Beschichtungssystem
Die vorliegende Patentanmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2021 200 837.2 in Anspruch, deren Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
Die Erfindung betrifft ein mehrlagiges Beschichtungssystem, insbesondere zur Anbringung an einer Brennstoffzelle, sowie eine Brennstoffzelle mit einem derartigen Beschichtungssystem.
Brennstoffzellen dienen zur Erzeugung von elektrischem Strom aus Wasserstoffgas. DE 10 2017 209 891 Al offenbart einen vorteilhaften Betrieb einer sogenannten Direkt-Brennstoffzelle mit einem sekundären Alkohol, der unter Freisetzung von Wasserstoffgas zu einem Keton umgesetzt und das Wasserstoffgas in der Direkt-Brennstoffzelle verstromt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau und den Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Direkt-Brennstoffzelle zu verbessern.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein mehrlagiges Beschichtungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 16.
Der Kem der Erfindung besteht darin, dass ein mehrlagiges Beschichtungssystem bereitgestellt wird, dass insbesondere an einer Brennstoffzelle anbringbar ist. Das mehrlagige Beschichtungssystem umfasst eine erste Kata- lysatorschicht mit einem ersten Katalysatormaterial zum Dehydrieren eines Wasserstoffträgermaterials. Durch die Dehydrierung des Wasserstoffträgermaterials wird Wasserstoff freigesetzt, der an dem Wasserstoffträgermaterial chemisch gebunden ist. Durch die Dehydrierung wird das Wasser- stoffträgermaterial von einer wasserstoffreichen Form in eine wasserstoffarme Form überführt. Die wasserstoffreiche Form und die wasserstoffarme Form des Wasserstoffträgermaterials bilden ein Wasserstoffträgersystem. Mögliche Wasserstoffträgersysteme im Sinne der Erfindung sind in Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1: Wasserstoffträgersysteme
Das Wasserstoffträgermaterial in der wasserstoffreichen Form ist insbe- sondere ein sekundärer Alkohol in der allgemeinen Darstellung mit Organyl-Resten XI, X2, die insbesondere Alkyl-Reste, Alkenyl-Reste, A- ryl-Reste und/oder Benzyl-Reste sind. Insbesondere ist das Wasserstoffträgermaterial der wasserstoffarmen Form ein Keton mit den Organyl-Resten XI, X2, die insbesondere Alkyl-Reste, Alkenyl-Reste, Aryl-Reste und/oder Benzyl-Reste sind. Das Keton lässt sich in der Strukturformel darstellen.
X1 x2
Das Wasserstoffträgermaterial kann flüssig und/oder gasförmig sein.
Das mehrlagige Beschichtungssystem umfasst eine Sperrschicht, die für das Wasserstoffträgermaterial undurchlässig ist. Die Sperrschicht ist insbesondere für das Wasserstoffträgermaterial nicht benetzend. Die Sperrschicht ist für das Wasserstoffträgermaterial impermeabel. Insbesondere ist die Sperrschicht aber für das bei der Dehydrierung freigesetzte Wasserstoffgas durchlässig, also permeabel.
Überraschend wurde gefunden, dass es vorteilhaft ist, die erste Katalysatorschicht für die Dehydrierung des Wasserstoffträgermaterials von einer zweiten Katalysatorschicht für eine Wasserstoffoxidation des von dem Wasserstoffträgermaterial freigesetzten Wasserstoffgases räumlich zu trennen. Diese räumliche Trennung wird insbesondere durch die Sperrschicht gewährleistet. Das Wasserstoffträgermaterial wird an der ersten Katalysatorschicht dehydriert, kann aber die Sperrschicht nicht durchdringen. Dadurch, dass die Sperrschicht eine selektive Permeabilität aufweist, gelangt, insbesondere ausschließlich, das freigesetzte Wasserstoffgas durch die Sperrschicht und kann an der hinter der Sperrschicht angeordneten Brennstoffzelle vorteilhaft verstromt werden. Insbesondere steht das Wasserstoffgas an einer Grenzfläche der Sperrschicht zur Verfügung. Es ist möglich, dass zumindest geringe Anteile des hydrierten und/oder dehydrierten Wasserstoffträgermaterials an die Grenzfläche der Sperrschicht gelangen können. Die Anteile des hydrierten und/oder dehydrierten Wasserstoffträgermaterials an der Grenzfläche der Sperrschicht betragen höchstens 30 vol-% bezogen auf das Material an der Grenzfläche der Sperrschicht, insbesondere höchstens 25 vol-%, insbesondere höchstens 20 vol-%, insbesondere höchstens 15 vol-%, insbesondere höchstens 12 vol-%, insbesondere höchstens 10 vol-%, insbesondere höchstens 8 vol-% und insbesondere höchstens 5 vol-%.
Insbesondere ist die erste Katalysatorschicht durch die Sperrschicht von der Brennstoffzelle und insbesondere einer Brennstoffzellenmembran getrennt. Bei dem mehrlagigen Beschichtungssystem ist die erste Katalysatorschicht der Brennstoffzelle und insbesondere der Brennstoffzellenmembran, abgewandt angeordnet.
Die erste Katalysatorschicht und/oder die Sperrschicht weisen jeweils eine Schichtdicke zwischen 10 nm und 500 pm auf, insbesondere zwischen 20 nm und 400 pm, insbesondere zwischen 40 nm und 300 pm, insbesondere zwischen 50 nm und 200 pm, insbesondere zwischen 75 nm und 150 pm, insbesondere zwischen 100 nm und 100 pm, insbesondere zwischen 200 nm und 50 pm, insbesondere zwischen 500 nm und 10 pm, insbesondere zwischen 1 pm und 5 pm.
Die erste Katalysatorschicht und/oder die Sperrschicht können gleiche oder unterschiedliche Schichtdicken aufweisen. Das Verhältnis der kleineren Schichtdicke zu der größeren Schichtdicke beträgt zwischen 0,001 und 0,9, insbesondere zwischen 0,002 und 0,8, insbesondere zwischen 0,005 und 0,7, insbesondere zwischen 0,01 und 0,5, insbesondere zwischen 0,03 und 0,3, insbesondere zwischen 0,05 und 0,2, insbesondere zwischen 0,1 und 0,15.
Es wurde gefunden, dass das erfindungsgemäße Beschichtungssystem vorteilhaft durch additive Fertigungs verfahr en aufgebaut und hergestellt werden kann. Besonders geeignet sind additive Fertigungs verfahr en, die Tinte verarbeiten können, insbesondere Verfahren der Sprühbeschichtung, der Schlitzdüsenbeschichtung, 3D-Druck, Aerosoldruck, Laser- und/oder Elektronenstrahlsintem, Siebdruckverfahren, Flexodruckverfahren, Sputtern und/oder Gravure- Verfahren. Unter einem Gravure- Verfahren wird ein Tiefdruckverfahren, insbesondere ein Rotationstiefdruckverfahren, verstanden, bei dem ein Bild auf einem Bildträger graviert wird. Mittels Tiefdruck wird das Bild auf einem Zylinder graviert, der wie beim Offsetdruck verwendet wird. Insbesondere sind die additiven Fertigungs verfahren zur Schichtherstellung geeignet.
Es ist insbesondere möglich, die Eigenschaften der einzelnen Schichten, insbesondere der Sperrschicht und/oder der ersten Katalysatorschicht, gezielt einzustellen und insbesondere einen Gradienten innerhalb der jeweiligen Schicht einzustellen, um insbesondere einen Gastransport durch die Schichten hindurch zu verbessern und insbesondere zu befördern.
Insbesondere können die Eigenschaften der einzelnen Schichten entlang der Schichtdickenrichtung und/oder in einer Ebene quer und insbesondere senkrecht zur Schichtdickenrichtung veränderlich eingestellt sein und insbesondere einen Gradienten aufweisen. Es ist insbesondere möglich, die Porenanteile, also den Gradienten der Porosität, und/oder die Porengröße, die Partikelanteile des Katalysatormaterials, also die Partikelgröße, und/oder die Partikelmenge sowie den Benetzungs winkel an der Sperrschicht veränderlich einzustellen.
Als Gradient wird insbesondere eine Eigenschaftsänderung entlang einer Änderung srichtung verstanden, wobei die Änderung srichtung entlang der Schichtdickenrichtung quer und insbesondere senkrecht dazu orientiert sein kann. Der jeweilige Gradient ergibt sich insbesondere daraus, dass sich die Eigenschaft von einem Maximalwert zu einem Minimalwert oder umgekehrt verändert. Der Gradientenverlauf zwischen Minimal- und Maximalwert kann linear oder nicht linear, insbesondere gekrümmt und insbesondere progressiv oder degressiv sein.
Der Wertebereich, der nach unten durch den Minimalwert und nach oben durch den Maximalwert begrenzt ist, beträgt für die Porosität zwischen 20% und 80%, insbesondere zwischen 10% und 90%, insbesondere zwischen 5% und 95% und insbesondere zwischen 1% und 99%. Der Wertebereich für die Porengröße beträgt zwischen 100 nm und 10 pm, insbesondere zwischen 10 nm und 100 pm, insbesondere zwischen 1 nm und 500 pm und insbesondere zwischen 0,1 nm und 1 mm. Der Wertebereicht für die Partikelgröße beträgt zwischen 100 nm und 10 pm, insbesondere zwischen 10 nm und 100 pm, insbesondere zwischen 1 nm und 500 pm und insbesondere zwischen 0,1 nm und 1 mm. Der Wertebereich für die Partikelmenge beträgt zwischen 0,1 und 1 g/cm2. Der Wertebereich für den Benetzungswinkel beträgt zwischen 45° und 135°, insbesondere zwischen 30° und 150°, insbesondere zwischen 15° und 165°, insbesondere zwischen 5° und 175° und insbesondere zwischen 0° und 180°.
Es ist auch denkbar, dass die Gradientenverläufe mindestens ein lokales Minimum und/oder mindestens ein lokales Maximum aufweisen. Es ist beispielsweise denkbar, dass entlang der Schichtdickenrichtung der Eigenschaftswert jeweils an der Oberfläche der Schichtdicke Werte aufweisen, die kleiner sind als ein lokaler Maximalwert innerhalb der Schicht.
Es wurde insbesondere gefunden, dass eine aus dem Stand der Technik bekannte Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzelle mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungssystem vorteilhaft nachgerüstet werden kann. Eine PEM-Brennstoffzelle weist mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungssystem eine verbesserte Funktionalität auf und ist insbesondere für die Nutzung mit sekundären Alkoholen oder anderen Wasserstoffträgermaterialien geeignet.
Ein Beschichtungssystem gemäß Anspruch 2 ist besonders kompakt und robust ausgeführt. Die Sperrschicht ist unmittelbar angrenzend an der ersten Katalysatorschicht ausgebildet. Die erste Katalysatorschicht und die Sperrschicht bilden eine zweilagige, aber einteilige Kombinationsschicht.
Ein erstes Katalysatormaterial gemäß Anspruch 3 hat sich als besonders vorteilhaft für die Dehydrierung des Wasserstoffträgermaterials erwiesen. Zusätzlich oder alternativ kann das erste Katalysatormaterial Platin, Iridium, Osmium, Ruthenium, Rhodium und/oder Palladium aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann das erste Katalysatormaterial Metalle wie Kupfer, Kobalt, Nickel, Silber, Gold und/oder Phosphor aufweisen. Zudem kann das erste Katalysatormaterial stickstoffbasierte Materialen wie beispielsweise Eisen-Stickstoff-Komplexe aufweisen, in die beispielsweise Graphen eingelagert sein kann. Derartige Katalysatormaterialien sind beispielsweise Fe-N-C- Verbindung en. Es sind auch Phosphor- und/oder Schwefeldotierungen möglich. Eine poröse Sperrschicht gemäß Anspruch 4 gewährleistet einen vorteilhaften Transport des Wasserstoffgases durch die Sperrschicht hindurch. Es ist verhindert, dass das Wasserstoffträgermaterial die Sperrschicht passiert. Insbesondere erlaubt das Material der porösen Sperrschicht die Retention des Wasserstoffträgermaterials in Folge einer Interaktion mit den Porenwänden durch optimale Bindungseigenschaften zwischen dem Wasserstoffträgermaterial und den Porenwänden.
Die poröse Sperrschicht umfasst eines oder mehrere Materialien wie Kohlenstoff, Metalle, Polytetrafluorethylen, Zeolithe, also kristalline Alumosi- likate, metallorganische Gerüstverbindungen, also metal-organic frameworks (MOFs), Polybenzimidazole (PBI), Polyetheretherketon (PEEK) und/oder lonomere, insbesondere ein perfluoriertes Copolymer, das als ionische Gruppe eine Sulfogruppe umfasst, und/oder alkalische lonomere, und/oder Perfluorsulfonsäuren (PFSA), insbesondere Derivate davon.
Eine Porosität der Sperrschicht gemäß Anspruch 5 hat sich als vorteilhaft für den Wasserstofftransport einerseits und die Retention des Wasserstoffträgermaterials andererseits erwiesen.
Alternativ kann die Sperrschicht gemäß Anspruch 6 unporös, also dicht ausgeführt werden. Ein Transport des Wasserstoffgases durch die Sperrschicht erfolgt dann mittels Diffusion. Wesentlich ist, dass die Sperrschicht einen Wasserstoff-Diffusionskoeffizienten aufweist, der größer ist als ein Wasserstoffträgermaterial-Diffusionskoeffizient. Insbesondere ist der Wasserstoffträgermaterial-Diffusionskoeffizient höchstens 10'15 m2/s, insbesondere höchstens 10'14m2/s, insbesondere höchstens 10'13 m2/s, insbesondere höchstens 10'12 m2/s, insbesondere höchstens 10'11 m2/s, insbesondere höchstens IO'10 m2/s. Für eine unporöse, also dichte, Ausführung der Sperrschicht eignen sich beispielsweise Materialien wie Kunststoffe, insbesondere Polymere, insbesondere ein perflouriertes Copolymer, das als ionische Gruppe eine Sulfogruppe enthält, oder Polytetrafluorethylen (PTFE). Es kommen auch Metalle, insbesondere Palladium, als Materialien für die dichte Sperrschicht in Betracht.
Eine Gasdiffusionsschicht gemäß Anspruch 7 stellt eine zusätzliche Barriere für das Wasserstoffträgermaterial dar. Der Anteil des Wasserstoffträgermaterials, der zu der Brennstoffzelle gelangt, ist zusätzlich reduziert. Insbesondere ist die Gasdiffusionsschicht an einer der ersten Katalysatorschicht gegenüberliegenden Seite bezüglich der Sperrschicht angeordnet. Die Gasdiffusionsschicht ist insbesondere aus porösen Kohlenstofffasem gebildet. Insbesondere umfasst die Gasdiffusionsschicht Carbonfaser- Vliesstoffe und insbesondere eine Schicht aus Ruß. Die Gasdiffusionsschicht kann zusätzlich oder alternativ Kohlenstoff, Titan und/oder Edelstahl aufweisen. Die porösen Kohlenstofffasem der Gasdiffusionsschicht sind insbesondere durch den Anpressdruck über die Zellplatten und/oder mittels eines thermischen Druckverfahrens mit der Sperrschicht verbunden. Die Gasdiffusionsschicht weist eine Schichtdicke zwischen 10 pm und 10 mm, insbesondere zwischen 100 pm und 1 mm auf.
Eine weitere Sperrschicht gemäß Anspruch 8 reduziert zusätzlich das Risiko, dass das Wasserstoffträgermaterial zu der Brennstoffzelle gelangt. Insbesondere ist die weitere Sperrschicht identisch zu der an der ersten Katalysatorschicht angeordneten Sperrschicht ausgeführt. Die weitere Sperrschicht kann eine unterschiedliche Schichtdicke und/oder ein unterschiedli- ches Material wie die an der ersten Katalysatorschicht angeordnete Sperrschicht aufweisen.
Die Ausführung des Beschichtungssystems gemäß Anspruch 9 eignet sich insbesondere für die unmittelbare und insbesondere einteilige Anbringung des Beschichtungssystems an einer bereits existierenden Brennstoffzelle. Dadurch, dass das Beschichtungssystem flächig und insbesondere vollflächig, also unterbrechungsfrei, ausgeführt ist, wird eine robuste und langlebige Verbindung des Beschichtungssystems mit der Brennstoffzelle ermöglicht.
Ein Beschichtungssystem gemäß Anspruch 10 weist mindestens einen Wasserstoffträger-Störmungskanal auf, in dem das Wasserstoffträgermaterial strömen kann. In einer bezüglich der Strömungsrichtung gesehenen Umfangsrichtung weist der Wasserstoffträger-Strömungskanal eine geschlossene Strömungskanalwand auf, sodass ein unbeabsichtigtes Entweichen des Wasserstoffträgermaterials aus dem Wasserstoffträger- Strömungskanal verhindert ist. Insbesondere weist die Strömungskanalwand zumindest bereichsweise die Sperrschicht auf. In diesen Bereichen kann Wasserstoffgas, das durch eine Dehydrierung des Wasserstoffträgermaterials in dem Wasserstoffträger-Strömungskanal freigesetzt worden ist, aus dem Wasserstoffträger-Strömungskanal austreten. Durch die Größe der Bereiche, in welchem die Sperrschicht angeordnet ist, und durch die Anordnung der Bereiche, in welchen die Sperrschicht angeordnet ist, kann eine gezielte Abgabe des Wasserstoffgases aus dem Wasserstoffträger- Strömungskanal erfolgen.
Ein derartiges Beschichtungssystem ermöglicht einen verbesserten Abtransport von Flüssigwasser und/oder anderen Flüssigkeiten. Der Abtrans- port von Flüssigkeit ist insbesondere in einer Ebene senkrecht zur Gas- strömungsrichtung durch das Beschichtungssystem möglich. Ein Gastransport senkrecht zu dem Beschichtungssystem ist im Wesentlichen ungehindert.
Bei einem Beschichtungssystem gemäß Anspruch 11 ist die Dehydrierung in dem Wasserstoffträger-Strömungskanal gewährleistet.
Eine Wasserstoffträger-Transportschicht gemäß Anspruch 12 verbessert den Transport des Wasserstoffträgermaterials. Die Wasserstoffträger- Transportschicht kann als separate Schicht ausgeführt sein und ist insbesondere benachbart zu der ersten Katalysatorschicht ausgeführt und insbesondere von der ersten Katalysatorschicht umgeben. Alternativ kann die Wasserstoffträger-Transportschicht mit der ersten Katalysatorschicht vermischt und insbesondere als Mischschicht, in der das Material für die Wasserstoffträger-Transportschicht und das erste Katalysatormaterial vermischt vorliegen, ausgeführt sein. Die Wasserstoffträger-Transportschicht umfasst Metall, Kohlenstoff, Kunststoffe und/oder Kompositmaterialien. Als Kom- positmaterialien werden Verbundmaterialien verstanden, die aus einem oder mehreren Transportschichtelementen bestehen, insbesondere aus verschiedenen Transportschichtelementen, die insbesondere verschiedenartig gradiert sind, also unterschiedliche Eigenschaftsgradienten aufweisen. Die Transportschichtelemente bilden eine in sich geschlossene Wasserstoffträger-Transportschicht.
Alternativ kann der Wasserstoffträger-Strömungskanal ohne Wasserstoffträger-Transportschicht ausgeführt sein. Um den Transport des Wasserstoffträgermaterials zu gewährleisten, kann in dem Wasserstoffträger- Strömungskanal ein Hohlraum vorgesehen sein. Alternativ kann das Was- serstoffträgermaterial auch durch die erste Katalysatorschicht hindurchtransportiert werden.
Ein Beschichtungssystem gemäß Anspruch 13 weist verbesserte Strömungseigenschaften für die Gasströme senkrecht zu dem Beschichtungssystem und Flüssigkeit in einer Ebene parallel zu dem Beschichtungssystem auf Das Beschichtungssystem weist mehrere Wasserstoffträger- Strömungskanäle auf, wobei zwischen zwei benachbarten Wasserstoffträger-Strömungskanälen ein Fluidströmungskanal angeordnet ist. Das Beschichtungssystem weist insbesondere keine vollflächige, also keine unterbrechungsfreie, sondern eine unterbrochene, Struktur auf.
Eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 14 mit dem mehrlagigen Beschichtungssystem weist im Wesentlichen die Vorteile des Beschichtungssystems selbst auf, worauf hiermit verwiesen wird. Insbesondere ist das mehrlagige Beschichtungssystem mit der ersten Katalysatorschicht beabstandet von einer zweiten Katalysatorschicht angeordnet.
Die zweite Katalysatorschicht umfasst ein zweites Katalysatormaterial für eine Wasserstoffoxidation des von dem Wasserstoffträgermaterial freigesetzten Wasserstoffgases. Das zweite Katalysatormaterial ist insbesondere ein metallhaltiger Elektrokatalysator, der insbesondere Platin aufweist. Zusätzlich oder alternativ kann das zweite Katalysatormaterial Ruthenium, Palladium, Iridium, Gold, Silber, Rhenium, Rhodium, Kupfer, Nickel, Kobalt, Eisen, Mangan, Chrom, Molybdän und/oder Vanadium aufweisen. Die Metalle des zweiten Katalysatormaterials liegen insbesondere als elementare Metalle, Metalloxide und/oder Metallhydroxide vor. Als besonders vorteilhaft haben sich Mischkatalysatoren erwiesen, die Platin und Ruthe- nium, insbesondere in elementarer Form und/oder in oxydischer Form aufweisen.
Insbesondere ist die erste Katalysatorschicht von der zweiten Katalysatorschicht mindestens durch die Sperrschicht räumlich getrennt. Es können weitere Schichten zwischen der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht angeordnet sein.
Bei einer Brennstoffzelle gemäß Anspruch 15 ist das Beschichtungssystem unmittelbar und robust an der Brennstoffzelle angebracht und damit verbunden. Das Beschichtungssystem kann stoffschlüssig mit der zweiten Katalysatorschicht verbunden sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Beschichtungssystem mit einer Zwischenschicht stoffschlüssig verbunden sein, wobei die Zwischenschicht selbst stoffschlüssig mit der zweiten Katalysatorschicht verbunden ist. Das mehrlagige Beschichtungssystem ist stoffschlüssig mit der Brennstoffzelle verbunden. Die Zwischenschicht selbst kann eine oder mehrere Schichten aufweisen, insbesondere eine Gasdiffusionsschicht und/oder eine weitere Sperrschicht. Durch die Zwischenschicht ist das Beschichtungssystem mittelbar mit der zweiten Katalysatorschicht verbunden. Eine derartige Brennstoffzelle kann insbesondere durch additive Fertigungs verfahr en vorteilhaft und robust hergestellt werden, indem das mehrlagige Beschichtungssystem unmittelbar auf einer existierenden Brennstoffzelle aufgebracht wird.
Alternativ kann das mehrlagige Beschichtungssystem gemäß Anspruch 16 an einem Trägerelement gehalten sein. Das Trägerelement ist lösbar mit einer bereits existierenden Brennstoffzelle verbindbar. Das Trägerelement ist insbesondere plattenförmig ausgeführt. Das Trägerelement ist insbesondere lösbar an der zweiten Katalysatorschicht anbringbar. Zusätzlich oder altemativ kann das Trägerelement an einer mit der zweiten Katalysatorschicht stoffschlüssig verbundenen Zwischenschicht anbringbar ausgeführt sein. Besonders vorteilhaft ist die lösbare Anbringung des Trägerelements, wenn das Beschichtungssystem mehrere Wasserstoffträger- Strömungskanäle und dazwischen angeordnete Fluid-Strömungskanäle aufweist. Das mehrlagige Beschichtungssystem kann mittels des Trägerelements auf eine bereits existierende Brennstoffzelle aufgesetzt und daran montiert und demontiert werden.
Sowohl die in den Patentansprüche angegebenen Merkmale, als auch die in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Beschichtungssystems angegebenen Merkmale, sind jeweils für sich alleine oder in Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildungen den Erfindungsgegenstands keine Einschränkungen dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Brennstoffzelle mit einem erfindungsgemäßen mehrlagigen Beschichtungssystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung der Anbringung des mehrlagigen Beschichtungssystems an der Brennstoffzelle gemäß Fig. 1, Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung eines Beschichtungssystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung einer Brennstoffzelle mit einem an einem Trägerelement gehaltenen Beschichtungssystem gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
Fig. 5 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Fluidströme bei der Brennstoffzelle gemäß Fig. 4, und
Fig. 6 eine Fig. 4 entsprechende Darstellung eines mehrlagigen Beschichtungssystems mit Trägerelement gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
Eine in Fig. 1 als Ganzes mit 1 bezeichnete Brennstoffzelle ist eine Polymerelektrolytmembran (PEM)-Brennstoffzelle, die mit einem erfindungsgemäßen mehrlagigen Beschichtungssystem 2 ausgeführt ist. Eine PEM- Brennstoffzelle ist aus Qi, Z; Kaufmann A.: „Permormance of 2-Propanol in Direct-Oxidation Fuel Celis“, Journal of Power Sources 112 (2002) 121- 129 bekannt, worauf hinsichtlich des grundsätzlichen Aufbaus und der Funktion der PEM-Brennstoffzelle 1 ausdrücklich verwiesen wird.
Das Beschichtungssystem 2 ist in Fig. 1 rein schematisch und vereinfacht dargestellt. Die konkrete Ausgestaltung des Beschichtungssystems 2 ist in den nachfolgenden Figuren im Einzelnen erläutert.
Dadurch, dass das Beschichtungssystem 2 an der Brennstoffzelle 1 vorgesehen ist, ist insbesondere eine Bipolarplatte und/oder eine Gasdiffusions- lage, die bei einer Standard-Brennstoffzelle vorgesehen sind, entbehrlich. Der Aufbau der Brennstoffzelle 1 ist dadurch vereinfacht. Es ist aber auch möglich, die Bipolarplatte und/oder die Gasdiffusionslage vorzusehen.
Die Brennstoffzelle 1 weist eine Anode 3 und ein Kathode 4 auf. Unmittelbar mit der Anode 3 ist eine protonenleitende Membran 5 verbunden, die insbesondere aus einem perfluorierten Copolymer, das als ionische Gruppe eine Sulfogruppe enthält, ausgeführt ist. Die Membran 5 ist zwischen der Anode 3 und der Kathode 4 angeordnet.
Die Anode 3 weist eine Katalysatorschicht 6 für eine Wasserstoffoxidation von Wasserstoffgas auf. Die Katalysatorschicht 6 weist ein dafür geeignetes Katalysatormaterial auf.
Das Beschichtungssystem 2 ist unmittelbar an der Anode 3, insbesondere an der Katalysatorschicht 6 angebracht und unmittelbar damit verbunden.
An der Anodenseite ist ein Edukt- Sammelbehälter 7 mit einer Edukt- Zuströmöffnung 8 und einer Edukt- Ab strömöffnung 9 vorgesehen. Als Edukt ist gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Wasserstoffträgermaterial in einer wasserstoffreichen Form, insbesondere als sekundärer Alkohol, vorgesehen.
Auf der Kathodenseite ist die Kathode 4 mit einer Gasdiffusionslage 10 und einer Bipolarplatte 11 verbunden. An die Bipolarplatte 11 ist ein Produkt-Sammelbehälter 12 angeschlossen, der eine Sauerstoff- Zuströmöffnung 13 und eine Wasser- Ab strömöffnung 14 aufweist. Als Produkt entsteht auf der Kathodenseite durch die Wasserstoffoxidation des Wasserstoffgases Wasser. Das Beschichtungssystem 2 ist in Fig. 2 näher dargestellt. Das Beschichtungssystem 2 umfasst eine weitere Katalysatorschicht 15 umfassend ein Katalysatormaterial zum Dehydrieren eines Wasserstoffträgermaterials. Die Katalysatorschicht 15 wird auch als die erste Katalysatorschicht bezeichnet. Die Katalysatorschicht 6 wird entsprechend als zweite Katalysatorschicht bezeichnet.
Die erste Katalysatorschicht 15 ist von der zweiten Katalysatorschicht 6 durch eine Sperrschicht 16 räumlich getrennt angeordnet. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Sperrschicht 16 durch eine mikroporöse Schicht aus Polytetrafluorehtylen (PTFE) gemischt mit Kohlenstoffpartikeln ausgebildet.
Wesentlich ist, dass die Sperrschicht 16 verhindert, dass Wasserstoffträgermaterial zu der Anode 3 und insbesondere zu der zweiten Katalysatorschicht 6 gelangen kann. Zudem ist die Sperrschicht 16 durchlässig für Wasserstoffgas.
Die erste Katalysatorschicht 15 ist außenliegend angeordnet. Entlang einer Dickenrichtung 17 schließen sich die Sperrschicht 16, die Anode 3 mit der zweiten Katalysatorschicht 6 und die Membran 5 an.
Bei der vereinfachten Darstellung in Fig. 2 ist die Anode 3 mit der zweiten Katalysatorschicht 6 als homogene durchgängige Schicht dargestellt. Es ist auch denkbar, dass die zweite Katalysatorschicht 6 an der Anode 3 außenliegend, insbesondere dem Beschichtungssystem 2 zugewandt, angeordnet ist. Die erste Katalysatorschicht 15 ist an der Sperrschicht 16 der Brennstoffzelle 1, insbesondere der Anode 3 und/oder der Membran 5 abgewandt angeordnet. Die erste Katalysatorschicht 15 ist dem Edukt-Sammelbehälter 7 zugewandt angeordnet, sodass das Wasserstoffträgermaterial mit der ersten Katalysatorschicht 15 unmittelbar in Kontakt kommen kann.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der Brennstoffzelle 1 näher erläutert.
Der Brennstoffzelle 1 wird eine wasserstoffreiche Form eines Wasserstoffträgermaterials, insbesondere ein sekundärer Alkohol, insbesondere Isopropanol, das auch als 2-Propanol bekannt ist, in einen Edukt- Sammelbehälter 7 zugeführt. Das Wasserstoffträgermaterial kann gasförmig und/oder flüssig vorliegen. An der ersten Katalysatorschicht 15 wird die wasserstoffreiche Form des Wasserstoffträgermaterials dehydriert, also unter Freisetzung von Wasserstoffgas in eine wasserstoffarme Form überführt, insbesondere in ein Keton, insbesondere in Aceton. Die wasserstoffarme Form des Wasserstoffträgermaterials wird aus dem Edukt- Sammelbehälter 7 über die Edukt- Ab strömöffnung 9 abgeführt.
Die wasserstoffarme Form des Wasserstoffträgermaterials kann anschließend wieder hydriert, also mit Wasserstoff angereichert werden und als Wasserstoffträgermaterial für die Brennstoffzelle 1 erneut zur Verfügung gestellt werden. Zur Wasserstoffanreicherung des Wasserstoffträgermaterials kann insbesondere eine Wasserstofftransferhydrierung mittels eines Wasserstoffspeichermaterials, insbesondere eines flüssigen organischen Wasserstoffspeichermaterials (LOHC) dienen. Bezüglich der Transferhydrierung des Wasserstoffträgermaterials mittels des genannten Wasserstoffspeichermaterials wird auf die DE 10 2017 209 891 Al verwiesen. Dadurch, dass die Sperrschicht 16 für das Wasserstoffträgermaterial undurchlässig ist, gelangt ausschließlich das freigesetzte Wasserstoffgas durch die Sperrschicht 16 zu der Anode 3 mit der zweiten Katalysatorschicht 6. Das Wasserstoffgas kann in Dickenrichtung 17 durch das Beschichtungssystem 2 zu der Anode 3 hinströmen. Entgegen der Dickenrichtung 17 kann Wasser und/oder eine andere Flüssigkeit aus dem Beschichtungssystem 2 heraustransportiert werden. Das Wasserstoffgas wird an einer der Anode 3, insbesondere der zweiten Katalysatorschicht 6, angrenzenden Grenzfläche der Sperrschicht 16 bereitgestellt. Das Wasserstoffgas dissoziiert auf der Anodenseite und wird unter Abgabe von zwei Elektronen e' zu je zwei Protonen H+ oxidiert. Diese Protonen diffundieren durch die Membran 5. Auf der Kathodenseite wird Sauerstoff durch die Elektronen e’, die in einem äußeren Stromkreis elektrische Arbeit verrichten konnten, reduziert. Zusammen mit den durch die Membran 5 transportierten Protonen H+ entsteht Wasser. Um die elektrische Arbeit nutzen zu können, werden Anode 3 und Kathode 4 an den elektrischen Verbraucher 18 angeschaltet. Als elektrischer Verbraucher 18 dient insbesondere ein Elektromotor.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Konstruktiv identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funktionell gleichartige Teile erhalten dieselben Bezugszeichen mit einem nachgestellten a.
Das Beschichtungssystem 2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist zusätzlich eine weitere Sperrschicht 19 auf, wobei zwischen den Sperrschichten 16, 19 eine Gasdiffusionsschicht 20 aus porösen Kohlenstofffa- sem angeordnet ist. Dabei kann das Beschichtungssystem 2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel durch die Gasdiffusionsschicht 20 und die weitere Sperrschicht 19 erweitert und anschließend an der Brennstoffzelle 1 wie in Fig. 2 gezeigt, angebracht werden. In diesem Fall umfasst das Beschichtungssystem 2 die außenliegende erste Katalysatorschicht 15, wobei sich entlang der Dickenrichtung 17 die Sperrschicht 16, die Gasdiffusionsschicht 20 und die weitere Sperrschicht 19 anschließen.
Alternativ ist es denkbar, dass das Beschichtungssystem 2 - wie im ersten Ausführungsbeispiel - ausschließlich die erste Katalysatorschicht 15 und die Sperrschicht 16 aufweist, wobei die Gasdiffusionsschicht 20 und die weitere Sperrschicht 19 bereits an der Brennstoffzelle 1 vor Anbringung des Beschichtungssystems 2 vorgesehen sind. Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise bei einer Standard-PEM-Brennstoffzelle üblich.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Konstruktiv identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei den ersten Ausführungsbeispielen, auf deren Beschreibung hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funktionell gleichartige Teile erhalten dieselben Bezugszeichen mit einem nachgestellten b.
Der wesentliche Unterschied gegenüber dem vorherigen Ausführungsbeispiel besteht darin, dass das Beschichtungssystem 2b nicht als durchgängige Schicht unmittelbar an der Anode 3 der Brennstoffzelle 1 angebracht ist. Das Beschichtungssystem 2b weist eine Trägerplatte 21 auf, an deren Unterseite 22 mehrere Wasserstoffträger-Strömungskanäle 23 angeordnet sind. Die Trägerplatte 21 kann beispielsweise direkt an der Brennstoffzelle angebracht sein, also daran anliegen und/oder damit, insbesondere unmit- telbar, verbunden sein. Die Trägerplate 21 kann insbesondere direkt an der zweiten Katalysatorschicht 6, an der weiteren Sperrschicht 19 oder an der Gasdiffusionsschicht 20 anliegen und/oder damit verbunden sein.
Zwischen zwei benachbarten Wasserstoffträger-Strömungskanälen 23 ist jeweils ein Fluid-Strömungskanal 24 angeordnet, der durch den Zwischenraum zwischen zwei Wasserstoffträger-Strömungskanälen 23 gebildet ist. Die Wasserstoffträger-Strömungskanäle 23 geben jeweils eine Strömungsrichtung 25, insbesondere für das Wasserstoffträgermaterial vor. Gemäß Fig. 4 ist die Strömungsrichtung 25 senkrecht zur Zeichenebene orientiert. Bezüglich der Strömungsrichtung 25 weist der Wasserstoffträger- Strömungskanal 23 in Umfangsrichtung eine geschlossene Strömungskanalwand auf, die im Wesentlichen rechteckförmig ausgeführt ist. Die Strömungskanalwand wird durch eine U-Profilform der Sperrschicht 16b gebildet, wobei das offene U der Sperrschicht 16b durch die Trägerplate 21 geschlossen ist. Die Strömungkanalwand kann auch eine andere geschlossene Kontur aufweisen, insbesondere dreieckig, fünfeckig, sechseckig, achteckig oder in einer anderen polygonalen Form. Die Kontur der Strömungkanalwand kann auch zumindest abschnitsweise gekrümmt, insbesondere rund oder oval ausgeführt sein. Die Trägerplate 21 und jede der U-förmigen Sperrschichten 16b umschließen einen inneren Hohlraum, in dem eine Wasserstoffträger-Transportschicht 26 angeordnet ist, die von der ersten Katalysatorschicht 15 umgeben ist.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 der Betrieb einer Brennstoffzelle 1 mit dem Beschichtungssystem 2b näher erläutert. Das Beschichtungssystem 2b mit den Wasserstoffträger-Strömungskanälen 23, die auch als Stege bezeichnet werden, und den Fluid-Strömungskanälen 24 kann als Dehydrier- Aufsatz an einer Standard-PEM-Brennstoffzelle mit einer Membran 5, einer Anode 3 mit zweiter Katalysatorschicht 6, einer weiteren Sperrschicht 19 und einer Gasdiffusionsschicht 20 angebracht werden. Dazu kann das Beschichtungssystem 2b lösbar verbindbar angebracht werden. Alternativ ist es auch denkbar, das Beschichtungssystem 2b mit den Sperrschichten 16b stoffschlüssig an der Gasdiffusionsschicht 20 zu verbinden.
Zum Betrieb der Brennstoffzelle 1 mit dem Beschichtungssystem 2b wird das Wasserstoffträgermaterial in seiner wasserstoffreichen Form den Wasserstoffträger-Strömungskanälen 23 zugeführt. Das Wasserstoffträgermaterial durchströmt die Wasserstoffträger-Strömungskanäle 23 entlang der Strömungsrichtung 25. Aufgrund der Wasserstoffträger-Transportschicht 26 ist die Strömung des Wasserstoffträgermaterials begünstigt. Dadurch, dass das Wasserstoffträgermaterial während des Strömens entlang der Strömungsrichtung 25 mit der ersten Katalysatorschicht 15 in Kontakt kommt, wird Wasserstoffgas freigesetzt und das Wasserstoffträgermaterial in die wasserstoffarme Form überführt. Das Wasserstoffgas kann in den Bereichen, in welchen die Strömungskanalwand durch die Sperrschicht 16b gebildet ist, aus dem Wasserstoffträger-Strömungskanal 23 austreten. Die Sperrschicht 16b verhindert einen Austritt des Wasserstoffträgermaterials aus dem Wasserstoffträger-Strömungskanal 23. In den Fluid- Strömungskanälen 24 wird das Wasserstoffgas und möglicherweise sich bildendes Wasser und/oder eine andere Flüssigkeit gesammelt und kann innerhalb der Ebene des Beschichtungssystems 2b vorteilhaft abtransportiert werden. Ein Flüssigkeits ström, insbesondere entgegen des Wasserstoffgasstroms, also parallel zur Dickenrichtung 17, ist dadurch vermieden. Der Abtransport von Flüssigkeit ist vereinfacht und verbessert. Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 6 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Konstruktiv identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen, auf deren Beschreibung hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funktionell gleichartige Teile erhalten dieselben Bezugszeichen mit einem nachgestellten c.
Der wesentliche Unterschied gegenüber dem vorherigen Ausführungsbeispiel besteht darin, dass an der Trägerplatte 21 einteilig Seitenwände 27 befestigt sind, die die Wasserstoffträger-Strömungskanäle 23 vorgeben. Insbesondere sind die Seitenwände 27 aus einer Platte gefräst. Zwischen zwei benachbarten Seitenwänden 27 werden, insbesondere abwechselnd, jeweils ein Wasserstoffträger-Strömungskanal 23 und ein Fluid- Strömungskanal 24 gebildet. In dem Wasserstoffträger-Strömungskanal 23 werden nacheinander die Wasserstoffträger-Transportschicht 26, die erste Katalysatorschicht 15 und die Sperrschicht 16 angeordnet.
Das Beschichtungssystem 2c, insbesondere die Trägerplatte 21 mit den Seitenwänden 27 ist besonders unkompliziert und kosteneffizient herstellbar. Die Fertigung des Beschichtungssystems 2c ist vereinfacht. Insbesondere kann das Beschichtungssystem 2c als kompakte Baueinheit für die Aufrüstung einer bereits existierenden PEM-Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt werden.
Die Trägerplatte 21 ist insbesondere aus Metall, insbesondere Edelstahl und/oder Edelmetall, hergestellt. Die Trägerplatte 21 wird insbesondere aus Titan und/oder Kohlenstoff hergestellt. Denkbar ist, Metallfolien für die Herstellung der Trägerplatte 21 zu verwenden. Alternativ oder zusätzlich kann die Trägerplatte 21 auch Kunststoffmaterial aufweisen. Die Wandstärke der Seitenwände 27 beträgt zwischen 10 gm und 5 mm, insbesondere zwischen 50 gm und 3 mm, insbesondere zwischen 100 gm und 2 mm, insbesondere zwischen 500 gm und 1 mm. Die Breiten der Ste- ge und Kanäle betragen zwischen 100 gm und 5 mm, insbesondere zwischen 500 gm und 1 mm. Das Verhältnis der Breiten der Stege und der Kanäle bezogen auf die Wandstärke der Seitenwände 27 kann zwischen 5: 1 und 1:5, insbesondere zwischen 3: 1 und 1:3, insbesondere zwischen 2: 1 und 1:2 und insbesondere 1: 1 betragen.
Grundsätzlich denkbar ist es auch, einen Elektroly sator mit einem erfindungsgemäßen Beschichtungssystem auszuführen, wobei das Beschichtungssystem eine katalytisch aktive Schicht aufweist, um das Wasserstoffträgermaterial von der wasserstoffarmen Form in die wasserstoffreiche Form zu überführen, also zu hydrieren. Als Elektrolysator kann insbesondere die PEM-Brennstoffzelle dienen, die in umgekehrter Richtung betrieben werden kann.

Claims

- 25 -
Patentansprüche
1. Mehrlagiges Beschichtungssystem, insbesondere zur Anbringung an einer Brennstoffzelle (1), umfassend a. eine erste Katalysatorschicht (15) umfassend ein erstes Katalysatormaterial zum Dehydrieren eines Wasserstoffträgermaterials, b. eine für das Wasserstoffträgermaterial undurchlässige Sperrschicht (16; 16b).
2. Mehrlagiges Beschichtungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Katalysatorschicht (15) und die Sperrschicht (16; 16b) unmittelbar miteinander verbunden sind.
3. Mehrlagiges Beschichtungssystem gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Katalysatormaterial Molybdän-Oxid (MOO ) und/oder Molybdän- Sulfid (M0S2) aufweist.
4. Mehrlagiges Beschichtungssystem gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (16; 16b) Poren aufweist, die insbesondere eine Porengröße zwischen IO'10 m und 10'5 m, insbesondere zwischen 10'9 m und 10'6 m und insbesondere zwischen 10'8 m und 10'7 m aufweisen.
5. Mehrlagiges Beschichtungssystem gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (16; 16b) eine Porosität zwischen 10'5 % und 99,996 %, insbesondere zwischen 10'4 % und 99,99 %, insbesondere zwischen 10'3 % und 99,9 %, insbesondere zwischen 10'2 % und 99 %, insbesondere zwischen 10'1 % und 95 % und insbesondere zwischen 1 % und 90 % aufweist. Mehrlagiges Beschichtungssystem gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (16; 16b) einen Wasserstoff-Diffusionskoeffizienten aufweist, der größer ist als ein Wasserstoffträgermaterial-Diffusionskoeffizient, wobei der Wasserstoffträgermaterial-Diffusionskoeffizient insbesondere höchstens
10'15 m2/s beträgt. Mehrlagiges Beschichtungssystem gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Gasdiffusionsschicht (20), die einer der ersten Katalysatorschicht (15) gegenüberliegende Seite bezüglich der Sperrschicht (16; 16b) angeordnet ist. Mehrlagiges Beschichtungssystem gemäß Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine weitere Sperrschicht (19), die an der Gasdiffusionsschicht (20) angebracht ist. Mehrlagiges Beschichtungssystem gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungssystem (2; 2b; 2c) flächig, insbesondere vollflächig ausgeführt ist, wobei insbesondere eine Länge (L) und eine Breite (B) des Beschichtungssystem größer sind als dessen Dicke (D), wobei insbesondere gilt: B > 10 • D, insbesondere B > 20 • D, insbesondere B > 50 • D, insbesondere
B > 100 • D, insbesondere B > 200 • D, und/oder insbesondere L > 10 • D, insbesondere L > 20 • D, insbesondere L > 50 • D, insbesondere L > 100 • D, insbesondere L > 200 • D. Mehrlagiges Beschichtungssystem gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Wasserstoffträger- Strömungskanal (23) mit einer in Umfangsrichtung bezüglich der Strömungsrichtung (25) geschlossenen Strömungskanalwand (16b, 21;
16, 21, 27), die insbesondere zumindest bereichsweise durch die Sperrschicht (16; 16b) gebildet ist.
11. Mehrlagiges Beschichtungssystem gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wasserstoffträger-Strömungskanal (23) die erste Katalysatorschicht (15) angeordnet ist.
12. Mehrlagiges Beschichtungssystem gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wasserstoffträger- Strömungskanal (23) eine Wasserstoffträger-Transportschicht (26) angeordnet ist.
13. Mehrlagiges Beschichtungssystem gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch mehrere Wasserstoffträger- Strömungskanäle (23) und, insbesondere jeweils, einen zwischen zwei benachbarten Wasserstoffträger-Strömungskanälen (23) angeordneten Fluid-Strömungskanal (24).
14. Brennstoffzelle mit a. einer Anode (3), b. einer Kathode (4), c. einer zwischen der Anode (3) und der Kathode (4) angeordneten protonenleitenden Membran (5), d. einer an der Anode (3) angebrachten zweiten Katalysatorschicht
(6) umfassend ein zweites Katalysatormaterial für eine Wasserstoffoxidation des von dem Wasserstoffträgermaterial freigesetzten Wasserstoffgases, - 28 - e. einem mehrlagigen Beschichtungssystem (2; 2b; 2c) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.
15. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrlagige Beschichtungssystem (2; 2b; 2c) stoffschlüssig mit der zweiten Katalysatorschicht (6) und/oder mit einer mit der zweiten Katalysatorschicht (6) stoffschlüssig verbundenen Zwischenschicht (19, 20) verbunden ist. 16. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrlagige Beschichtungssystem (2b; 2c) an einem Trägerelement (21) gehalten ist, wobei das Trägerelement (21) lösbar an der zweiten Katalysatorschicht (6) und/oder an einer mit der zweiten Katalysatorschicht (6) stoffschlüssig verbundenen Zwischenschicht (19, 20) anbringbar ist.
EP21844012.1A 2021-01-29 2021-12-23 Mehrlagiges beschichtungssystem, insbesondere zur anbringung an einer brennstoffzelle, sowie brennstoffzelle mit einem derartigen beschichtungssystem Pending EP4285426A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021200837.2A DE102021200837A1 (de) 2021-01-29 2021-01-29 Mehrlagiges Beschichtungssystem, insbesondere zur Anbringung an einer Brennstoffzelle, sowie Brennstoffzelle mit einem derartigen Beschichtungssystem
PCT/EP2021/087450 WO2022161722A1 (de) 2021-01-29 2021-12-23 Mehrlagiges beschichtungssystem, insbesondere zur anbringung an einer brennstoffzelle, sowie brennstoffzelle mit einem derartigen beschichtungssystem

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4285426A1 true EP4285426A1 (de) 2023-12-06

Family

ID=80112452

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP21844012.1A Pending EP4285426A1 (de) 2021-01-29 2021-12-23 Mehrlagiges beschichtungssystem, insbesondere zur anbringung an einer brennstoffzelle, sowie brennstoffzelle mit einem derartigen beschichtungssystem

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP4285426A1 (de)
KR (1) KR20230141810A (de)
DE (1) DE102021200837A1 (de)
WO (1) WO2022161722A1 (de)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19734634C1 (de) * 1997-08-11 1999-01-07 Forschungszentrum Juelich Gmbh Brennstoffzelle zur direkten Verstromung von Methanol
JP4171978B2 (ja) 2002-05-27 2008-10-29 ソニー株式会社 燃料改質器及びその製造方法、並びに電気化学デバイス用電極及び電気化学デバイス
JP4356966B2 (ja) 2002-12-06 2009-11-04 勝 市川 燃料電池
US20100266929A1 (en) 2005-12-28 2010-10-21 Hiroshi Kanemoto Catalyst having a dehydrogenation function or hydrogenation function, fuel cell using the catalyst and hydrogen storage/supply device
US8288055B2 (en) 2009-01-20 2012-10-16 Adaptive Materials, Inc. Fuel cell system having a hydrogen separation member
DE102017209891A1 (de) 2017-06-12 2018-12-13 Forschungszentrum Jülich GmbH Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen von elektrischem Strom

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022161722A1 (de) 2022-08-04
KR20230141810A (ko) 2023-10-10
DE102021200837A1 (de) 2022-08-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1652258B1 (de) Membran-elektroden-einheit für die wasserelektrolyse
DE19548421B4 (de) Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Membranelektrodeneinheiten
EP3830316A1 (de) Verfahren zum herstellen einer porösen transportschicht für eine elektrochemische zelle
DE19909930A1 (de) Herstellung von tubulären PEM-Brennstoffzellen und Ionentauschermembranen
DE112006000121B4 (de) Brennstoffzelle hohler Bauart
DE19548422A1 (de) Materialverbunde und ihre kontinuierliche Herstellung
DE1546717A1 (de) Katalysatorelektrode fuer elektrochemische Zellen
EP4334496A1 (de) Wasserelektrolysestack zum erzeugen von wasserstoff und sauerstoff aus wasser
DE112008000842T5 (de) Brennstoffzellensystem
DE102011014137A1 (de) Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mit ein Metalloxid umfassenden Nanopartikeln
WO2021198137A1 (de) Verfahren zur herstellung einer gas- und/oder elektronenleitungsstruktur und brennstoff-/elektrolysezelle
DE102007014046B4 (de) Brennstoffzelle sowie Verfahren zu deren Herstellung
EP3834243B1 (de) Schichtaufbau für eine brennstoffzelle und verfahren zur herstellung eines solchen schichtaufbaus
WO2023117757A2 (de) Halbzelle einer elektrolysezelle für einen elektrolyseur und verfahren zum herstellen einer komponente für eine elektrolysezelle
EP4285426A1 (de) Mehrlagiges beschichtungssystem, insbesondere zur anbringung an einer brennstoffzelle, sowie brennstoffzelle mit einem derartigen beschichtungssystem
WO2019170652A1 (de) Gasverteilerstruktur für eine brennstoffzelle
DE102009057398A1 (de) Verfahren zum Beschichten eines Substrates mit ein Metalloxid aufweisenden Nanopartikeln
WO2019185416A1 (de) Gasverteilerstruktur für eine brennstoffzelle
DE102006002926A1 (de) Direktoxidationsbrennstoffzelle und Verfahren zu deren Betreiben
AT15927U1 (de) Funktionalisiertes, poröses Gasführungsteil für elektrochemisches Modul
DE102022110126A1 (de) Elektrochemische Zelle und Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer elektrochemischen Zelle
DE102023202432A1 (de) Mikroporöse Elektrode für eine elektrochemische Zelle, Verfahren zum Herstellen einer mikroporösen Elektrode sowie eine Elektrochemische Zelle
DE102022133773A1 (de) Verfahren zur elektrokatalytischen Hydrierung von Alkinen und elektrochemische Zelle für dieses Verfahren
EP2913877B1 (de) Direkt-Alkohol-Brennstoffzelle und Direkt-Alkohol-Brennstoffzellenstapel mit effektiver CO2-Entfernung sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Direkt-Alkohol-Brennstoffzelle
WO2024105229A2 (de) Halbzellenverbund für den einsatz in elektrochemischen zellen

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20230704

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)