WO2016078630A1 - Electrochemical cell and method for production thereof - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an electrochemical cell, in particular an electrochemical cell having a proton exchange membrane (PEM), in particular an acidic polymer electrolyte membrane.
- PEM proton exchange membrane
- the invention further relates to a method for producing such an electrochemical cell, in particular a PEM cell.
- An electrochemical cell such as a PEM fuel cell, typically includes a membrane electrode assembly (MEA) formed by a catalyst-coated PEM, also called CCM (Catalyst Coated Membrane), between two gas diffusion layers.
- the catalyst layers are also referred to as electrodes.
- the CCM is disposed between a pair of gas diffusion layers made of electrically conductive porous substrates such as woven and nonwoven carbon fiber structures. They have the task of distributing the substances needed for the operation of the cell homogeneously over the electrode and allowing the resulting substance to diffuse away.
- the diffusion layers are also referred to as current collectors.
- the potentials of the electrodes and current collectors may be well below 1.3V (with respect to a normal hydrogen electrode (NHE), fuel cell design) or well above 1.3V (with respect to a NHE, electrolysis cell design ) lie.
- the electrodes In electrochemical cells comprising an acidic polymer membrane, the electrodes also typically contain a certain amount of an acidic polymer, thereby adversely lowering the pH of the operation of the electrochemical cell close to the electrode surface, at the boundary to the current collector, and causing acid damage Corrosion can occur.
- An important aspect of this corrosion is that the acidic polymer is present in the electrode as a solid.
- the acidic polymer consists of a backbone with chemically bonded negative end groups and electrostatically bonded positively charged ions, the protons.
- the first method is to coat the current collector with precious metals such as gold or platinum, which do not corrode themselves and thus protect the component from corrosion.
- the current collectors materials such as titanium, which either themselves cover with a protective oxide layer (passivation) or on which another conductive layer, such as a titanium nitride layer, is generated to the material of the Protect current collector from corrosion.
- the two aforementioned methods disadvantageously use expensive metals, such as platinum, gold or titanium, which thereby cause a large part of the cost of producing electrochemical cells.
- the passivation method there is also the risk that the passivation layer becomes increasingly thicker during operation of the electrochemical cell, as a result the cell resistance increases as a result and the efficiency of the cell decreases.
- the object of the invention is to provide an electrochemical cell with an acidic polymer membrane, in which the hitherto customary corrosion between a current collector and an electrode which also comprises this polymer is reduced or even completely prevented.
- Another object of the invention is to provide a method for producing such an electrochemical cell.
- the essential feature of the invention is the treatment of components of an electrochemical cell with a solution or a dispersion comprising at least one alkaline polymer. After drying and fixing of the alkaline polymer, at least individual regions thus arise on the surface of the component, which comprise at least one alkaline polymer and which increase the pH at the component surface upon contact with a liquid, in particular with water. In this way, the component is advantageously protected against corrosion, without the necessary material and electron transport is hindered.
- the invention describes a method with which in particular increases the local pH at the contact points between a current collector and an electrode in an electrochemical cell with a polymer-electrolyte membrane by the deposition and fixation of at least one alkaline polymer and so the corrosion is reduced or prevented.
- an alkaline polymer is understood as meaning a polymer of a skeleton on whose side chains electrically positively charged, cationic groups are attached.
- the electrically negatively charged hydroxide counterions are responsible for the alkaline effect.
- Suitable backbones are those based on polysulfone, crosslinked polystyrene (copolymer of styrene with divinylbenzene), cellulose, agarose, dextran, polyphenylene oxide or the like.
- alkylammonium compounds such as aminoethyl-, diethylaminoethyl- (DEAE-), quaternary aminoethyl- (QAE-), 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane, imidazole groups, pyridium groups can be used become.
- alkylammonium groups it is also possible, for example, to use positively charged phosphonium groups or organometallic cationic groups.
- a small selection of other possible cationic groups suitable for the purposes of the invention can be found in J.R. Varcoe, P. Atanassov, D. Dekel, A. Herring, M. Hickner, P.A.
- both individual alkaline polymers and mixtures of alkaline polymers can be used for the treatment of components of an electrochemical cell.
- alkaline polymers which are suitable for the purposes of the invention are frequently also used as anion exchangers, for example under the trade name LEWATIT® MonoPlus M 500 from Lanxess. Furthermore, diethylaminoethylcellulose (DEAE-cellulose), which is frequently used in ion chromatography, would also be considered suitable. However, the cellulose variants are probably not so stable in a fuel cell or electrolysis cell.
- alkaline ionomer dispersions for example the ionomer dispersion 12 from Acta or AS-4 from Tokuyama, in which the composition is unclear.
- the alkaline polymer applied and fixed to the component of an electrochemical cell shows a similar behavior when contacted with a liquid whose molecules have a permanent electric dipole moment or at which electric dipole moments can be induced in comparison to the acidic polymer.
- the polymer backbone of the alkaline polymer used according to the invention contains cationic groups bonded via side chains, for example quaternary ammonium groups. pen, and negatively charged ions, for example, hydroxide ions, which build up on contact with the liquid, a shell of hydroxide ions to the positively charged polymer backbone (see Figure 3).
- cationic groups bonded via side chains, for example quaternary ammonium groups.
- pen and negatively charged ions, for example, hydroxide ions, which build up on contact with the liquid, a shell of hydroxide ions to the positively charged polymer backbone (see Figure 3).
- At least one alkaline polymer is arranged between the affected components, in particular between an electrode and a current collector arranged adjacent thereto.
- either the current collector or the electrode can be mixed with this alkaline polymer.
- treatment of both the current collector and the electrode may be considered. It is important that the arrangement of the alkaline polymer on the surface affected as little as possible for the cell transport gas transport and the necessary electrical contact between the electrode and the current collector can be made by pressing.
- the arrangement of the at least one alkaline polymer on the surface it is customary not to speak of a layer in the strict sense, and to that extent also not of a porous layer. Rather, only very little material is deposited on the surface by the method according to the invention, so that the alkaline polymer is usually arranged there in an incoherent manner only in the form of individual regions.
- the treatment of a component surface can be carried out with a dispersion consisting of at least one alkaline polymer and an electrically conductive solid, for example carbon black.
- a dispersion consisting of at least one alkaline polymer and an electrically conductive solid, for example carbon black.
- an electrically conductive solid for example carbon black.
- the electrical conductivity of such a thin layer comprising the alkaline polymer can be ensured inter alia by adding at least one electrically conductive substance to the alkaline polymer.
- a suitable electrically conductive additive for example, carbon black, graphite or titanium powder can be used.
- carbon black is added to the coating as an electrically conductive substance
- the same carbon black as could be used in the electrodes could be used.
- the at least one alkaline polymer is applied with or without an electrically conductive additive according to the invention in the form of a solution or a dispersion on one of the component or both components of an electrochemical cell.
- spraying, doctoring, slot casting or dip coating may be mentioned as application methods suitable for this purpose.
- a mixture of about 70% by weight of carbon black and about 30% by weight of an alkaline polymer in a suitable solvent is first mixed and then finely dispersed.
- an ultrasonic disperser or a high-speed disperser could be used.
- a ball mill would be conceivable.
- the solids content of the dispersion can be adjusted to the required viscosity. A lot of solid means a high viscosity, little solid means a low viscosity.
- a typical doctoring process requires a viscosity of about 200 to 500 mPas, a spraying process rather a viscosity in the range of 1 to 100 mPas.
- the thin layer or discontinuously present regions are dried and fixed so that they can no longer be detached from the component.
- This process step can be carried out, for example, by a sintering process.
- the melting point, or the glass transition temperature of the respective alkaline polymer should be achieved, that is typically carried out in the range between 50 ° C and 200 ° C (Nafion® with acidic group, for example, has a glass transition point of approx. 130 ° C).
- the glass transition temperature is the temperature in which completely or partially amorphous polymers change from the liquid or rubber-elastic, flexible state to the glassy or hard-elastic, brittle state. Since the concrete polymer composition of commercial ionomer dispersions is often unknown, the glass transition temperature for the sintering process may have to be determined beforehand in each case, for example by means of DSC (differential scanning calorimetry).
- the alkaline polymer if it has been mixed with an electrically conductive substance, does not form a continuous film in the layer during drying, but is present as a mixture with the electrically conductive particles, thus ensuring mass transfer and the electrical conductivity of the layer can be ensured.
- the exact method of preparation of the dispersion and the drying process can be developed individually depending on the polymer used and the conductive particles.
- a first possible embodiment of the invention provides for coating the current collector of an electrochemical cell with a dispersion of an alkaline polymer and an electrically conductive substance, for example electrically conductive carbon black, graphite or titanium powder.
- Suitable basic polymers are alkaline polymers consisting of a backbone, for example based on a styrene-divinylbenzene copolymer, which contains side chains of quaternary ammonium compounds which are responsible for the alkaline action.
- Such polymers are also used as anion exchangers, for example under the trade name LEWATIT® MonoPlus M 500 from Lanxess.
- alkaline ionomer dispersions in which the exact composition is not known, such as, for example, the ionomer 12 from Acta or AS-4 from Tokuyama.
- An alternative embodiment is, for example, spraying the current collector of an electrochemical cell with an alkaline polymer solution, then drying the solution and then sintering the polymer.
- treatment of the electrode may be used instead of a current collector.
- the alkaline polymer does not neutralize too much of the acidic polymer needed in the electrode for proton transport. Otherwise, the electrode could be detrimental to performance to lose.
- the alkaline polymer solution should therefore not penetrate into the electrode.
- the spraying of a polymer solution onto the component and subsequent drying and weighing can be repeated until a surface weight of 0.1 mg / cm 2 is reached.
- the basis weight may be between 0.01 and 1 mg / cm 2 .
- the treated carbon substrate is heated for 15 minutes to temperatures above the corresponding glass transition temperature of the polymer.
- the glass transition temperature must first be determined experimentally, for example by means of DSC.
- a mixture of 1 g of carbon black (Vulcan® XC72 from Cabot) and 7.5 g of commercial ionomer dispersion AS-4 from Tokuyama are first stirred in a reactor with a mixer and cooled to 5 ° C. Subsequently, the mixture is dispersed for 2 minutes with an ultrasonic finger (diameter 6 mm) at an amplitude of 30% in the pulse method (0.5 s on / 0.5 s off). The dispersion is subsequently stirred under reduced pressure until the 1-propanol present in the ionomer dispersion has evaporated to such an extent that the dispersion has a solids content of about 25% by weight and a viscosity of between 200 and 1000 mPas.
- the dispersion is then knife-coated onto a carbon nonwoven with a gap of 100 ⁇ m at a feed rate of 0.3 m / min. Subsequently, the layer is dried at 80 ° C until the residual moisture of the layer is less than 3 wt .-%. For the subsequent sintering process, the coated nonwoven is heated to the glass transition temperature.
- the alkaline polymer upon ingestion of water, regularly increases the pH directly between the electrode and the current collector, thereby reducing acid-induced corrosion on the current collector.
- the water is produced in the cathode, where, according to the invention, the corrosion by the alkaline polymer should also be reduced.
- the electrodes are supplied with water. The water passes through the diffusion layers to the electrode, where it is decomposed electrochemically.
- the reaction with water can already take place during assembly, if moist components are used. Then the beneficial alkaline effect could already be noticeable.
- FIGS. 1 to 4 show schematically the structure of the alkaline polymer or of the alkaline polymer mixture used according to the invention and the effects on the electrode / current collector interface.
- Figure 1 the presence of an electrical double layer of an acidic polymer as found in your acidic polymer membrane is illustrated.
- the nucleus is a negatively charged backbone, which is surrounded by positively charged side chains ( Figure 1, top).
- Figure 1, top When a liquid, in particular water, is added, the respectively opposite charges are forced apart so that an ion shell is built up (FIG. 1, bottom).
- FIG. 2 shows schematically how acidic polymers, which can be found not only in the acidic polymer membrane but also in the adjacent electrodes, behave with corresponding ion sheaths on the surface of the electrode in contact with a current collector.
- the positively charged ion sheaths come into direct contact with the current collector and cause there the adverse corrosion phenomena.
- FIG. 3 shows, analogously to FIG. 1, the electrical double layer for an alkaline polymer used according to the invention, as it results from the positively charged skeleton and the negatively charged quaternary side chains (FIG. 3, top).
- FIG. 3 shows, analogously to FIG. 1, the electrical double layer for an alkaline polymer used according to the invention, as it results from the positively charged skeleton and the negatively charged quaternary side chains (FIG. 3, top).
- FIG. 4 shows a situation similar to that in FIG. 2, with the difference that according to the invention the surface of the current collector has at least one region with at least one alkaline polymer.
- the surface-mounted alkaline polymer with its ionic envelope also prevents direct contact of the ion shell of the acidic polymer with the current collector. As a result, the pH is increased locally and thus possible corrosion phenomena avoided or completely prevented.
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Abstract
The invention relates to an electrochemical cell comprising at least one acid polymer membrane, as well as comprising at least one electrode and a current collector arranged adjacent thereto. According to the invention, between the electrode and the current collector, the surface of the electrode and/or of the current collector has at least one region which comprises at least one alkaline polymer. With the addition of water, the alkaline polymer increases the local pH value between the electrode and current collector, and reduces or prevents ideally the corrosion that would otherwise normally occur. In the method for producing an electrochemical cell comprising at least one acid polymer membrane, as well as at least one electrode and a current collector arranged adjacent thereto, according to the invention, a solution or dispersion comprising an alkaline polymer is applied on the surface of the current collector and/or the adjacent electrode, which is then dried and fixed such that at least one surface has regions comprising at least one alkaline polymer.
Description
B e s c h r e i b u n g Description
Elektrochemische Zelle sowie Verfahren zur Herstellung derselben Electrochemical cell and method of making the same
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine elektrochemische Zelle mit einer Protonenaustauschmembran (PEM), insbesondere einer sauren Polymer- Elektrolytmembran. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrochemischen Zelle, insbesondere einer PEM-Zelle. The invention relates to an electrochemical cell, in particular an electrochemical cell having a proton exchange membrane (PEM), in particular an acidic polymer electrolyte membrane. The invention further relates to a method for producing such an electrochemical cell, in particular a PEM cell.
Stand der Technik State of the art
Eine elektrochemische Zelle, wie beispielsweise eine PEM-Brennstoffzelle, enthält typischerweise eine Membranelektrodenanordnung (MEA), gebildet durch eine beidseitig mit Katalysator beschichtete PEM, die auch CCM (Catalyst Coated Membrane) genannt wird, zwischen zwei Gasdiffusionsschichten. Die Katalysatorschichten werden auch als Elektroden bezeichnet. Die CCM ist zwischen einem Paar von Gasdiffusionsschichten angeordnet, die aus elektrisch leitfähigen, porösen Substraten, wie beispielsweise Gewebe- und Vlieskohlenstofffaseraufbauten bestehen. Sie haben die Aufgabe, die für den Betrieb der Zelle benötig- ten Stoffe homogen über die Elektrode zu verteilen und den entstehenden Stoff wegdiffundieren zu lassen. Da gleichzeitig die in den Elektroden frei werdenden oder verbrauchten Elektronen durch die Diffusionsschicht an bzw. abtransportiert werden müssen, werden die Diffusionsschichten auch als Stromkollektoren bezeichnet. Je nach Ausführungsart der elektrochemischen Zelle können die Potentiale der Elektroden und Stromkollektoren deutlich unter 1 ,3 V (in Bezug auf eine Normalwasserstoffelektrode (NHE), Ausführung als Brennstoffzelle) oder deutlich über 1 ,3 V (in Bezug auf eine NHE, Ausführung als Elektrolysezelle) liegen. An electrochemical cell, such as a PEM fuel cell, typically includes a membrane electrode assembly (MEA) formed by a catalyst-coated PEM, also called CCM (Catalyst Coated Membrane), between two gas diffusion layers. The catalyst layers are also referred to as electrodes. The CCM is disposed between a pair of gas diffusion layers made of electrically conductive porous substrates such as woven and nonwoven carbon fiber structures. They have the task of distributing the substances needed for the operation of the cell homogeneously over the electrode and allowing the resulting substance to diffuse away. At the same time, since the electrons released or consumed in the electrodes have to be transported to or removed from the diffusion layer, the diffusion layers are also referred to as current collectors. Depending on the design of the electrochemical cell, the potentials of the electrodes and current collectors may be well below 1.3V (with respect to a normal hydrogen electrode (NHE), fuel cell design) or well above 1.3V (with respect to a NHE, electrolysis cell design ) lie.
Bei elektrochemischen Zellen, die eine saure Polymermembran umfassen, enthalten in der Regel auch die Elektroden einen gewissen Anteil eines sauren Polymers, wodurch der pH- Wert im Betrieb der elektrochemischen Zelle nahe an der Elektrodenoberfläche, an der Grenze zum Stromkollektor, nachteilig gesenkt wird und säurebedingte Korrosion auftreten kann. Ein wichtiger Aspekt in Bezug auf diese Korrosion besteht darin, dass das saure Polymer in der Elektrode als Feststoff vorliegt. Das saure Polymer besteht aus einem Grundgerüst mit chemisch gebundenen negativen Endgruppen und elektrostatisch gebundenen positiv geladenen Ionen, den Protonen. Wählt man für den Betrieb eine Flüssigkeit, deren Moleküle entweder ein permanentes elektrisches Dipolmoment enthalten, wie Wasser, oder sich ein
solches Dipolmoment im Molekül induzieren lässt, dann lagern sich die Lösungsmittelmoleküle bei Kontakt mit dem Polymer an die ionischen Gruppen an und schwächen die elektrischen Wechselwirkungen zwischen den am Polymergrundgerüst angebundenen negativen Endgruppen und den Protonen. Durch die Schwächung können sich die Protonen etwas von den negativen Ionen lösen. Je weiter sich das Proton von der negativen Gruppe entfernt, desto größer wird die elektrostatische Energie, deren Zunahme dann eine weitere Entfernung verhindert. Das Proton wird auf diese Weise in geringem Maße beweglich und bildet eine Hülle um das Polymerpartikel, in der sich dann viele der Protonen aufhalten (siehe Figur 1). Durch die im Vergleich zur Flüssigkeit höhere Protonenkonzentration verringert sich in der Hülle der pH-Wert, während außerhalb des Partikels der pH-Wert in der Flüssigkeit deutlich höher sein kann. In electrochemical cells comprising an acidic polymer membrane, the electrodes also typically contain a certain amount of an acidic polymer, thereby adversely lowering the pH of the operation of the electrochemical cell close to the electrode surface, at the boundary to the current collector, and causing acid damage Corrosion can occur. An important aspect of this corrosion is that the acidic polymer is present in the electrode as a solid. The acidic polymer consists of a backbone with chemically bonded negative end groups and electrostatically bonded positively charged ions, the protons. If you choose to operate a liquid whose molecules contain either a permanent electric dipole moment, such as water, or a induce such dipole moment in the molecule, the solvent molecules upon contact with the polymer attach themselves to the ionic groups and weaken the electrical interactions between the negative end groups attached to the polymer backbone and the protons. Due to the weakening, the protons can detach themselves somewhat from the negative ions. The further the proton moves away from the negative group, the greater the electrostatic energy, the increase of which then prevents further removal. The proton thus becomes slightly mobile and forms a shell around the polymer particle, in which many of the protons then remain (see FIG. 1). As a result of the higher proton concentration compared to the liquid, the pH in the casing is reduced, while outside the particle the pH value in the liquid can be markedly higher.
Betrachtet man nun die Elektrodenoberfläche, die das saure Polymer enthält, und den kontaktierten Stromkollektor, dann handelt es sich dabei um zwei raue Oberflächen, die an den Spitzen beim Zusammendrücken kontaktiert werden (siehe Figur 2). Nach der Kontaktierung gibt es direkte Verbindungen zwischen den sauren Protonenhüllen der Polymerpartikel in der Elektrode und dem Stromkollektor, an denen bevorzugt Korrosion auftreten kann. Considering now the electrode surface containing the acidic polymer and the contacted current collector, these are two rough surfaces which are contacted at the tips upon compression (see Figure 2). After contacting, there are direct connections between the acidic proton shells of the polymer particles in the electrode and the current collector, at which corrosion may preferentially occur.
Allgemein betrachtet beobachtet man, dass Bauteile von elektrochemischen Zellen, die saure Polymer-Elektrolyt-Membranen enthalten, regelmäßig an den Stellen korrodieren, an denen sie in unmittelbarem Kontakt mit den sauren Polymeren stehen. Je höher das Potential und je tiefer der pH-Wert ist, desto stärker treten diese Korrosionsprozesse an der Phasengrenze zwischen Elektrode und Stromkollektor auf. Um diese Korrosionsprozesse zu verringern werden nach dem Stand der Technik zwei unterschiedliche Methoden vorgeschlagen, die beide eine durchgehende, elektrisch leitfähige Schutzschicht auf dem Stromkollektor erzeugen. Generally, it is observed that electrochemical cell components containing acidic polymer electrolyte membranes regularly corrode at the sites where they are in direct contact with the acidic polymers. The higher the potential and the lower the pH, the stronger these corrosion processes occur at the phase boundary between the electrode and the current collector. In order to reduce these corrosion processes, two different methods are proposed in the prior art, both of which produce a continuous, electrically conductive protective layer on the current collector.
Die erste Methode besteht darin, den Stromkollektor mit edlen Metallen wie Gold oder Platin zu beschichten, die selber nicht korrodieren und so das Bauteil vor Korrosion schützen. The first method is to coat the current collector with precious metals such as gold or platinum, which do not corrode themselves and thus protect the component from corrosion.
Bei der zweiten Methode werden für den Bau der Strom kollektoren Materialien wie Titan verwendet, die sich entweder selber mit einer schützenden Oxidschicht überziehen (Passivierung) oder auf denen eine andere leitfähige Schicht, beispielsweise eine Titannitrid- Schicht, erzeugt wird, um so das Material des Stromkollektors vor Korrosion schützen.
Die beiden vorgenannten Methoden verwenden nachteilig teure Metalle, wie Platin, Gold oder Titan, die dadurch einen großen Teil der Kosten der Herstellung von elektrochemischen Zellen verursachen. Bei der Methode mit der Passivierung besteht zudem das Risiko, dass die Passivierungsschicht im Betrieb der elektrochemischen Zelle immer dicker wird, der Zellwiderstand dadurch wächst und der Wirkungsgrad der Zelle sinkt. In the second method are used for the construction of the current collectors materials such as titanium, which either themselves cover with a protective oxide layer (passivation) or on which another conductive layer, such as a titanium nitride layer, is generated to the material of the Protect current collector from corrosion. The two aforementioned methods disadvantageously use expensive metals, such as platinum, gold or titanium, which thereby cause a large part of the cost of producing electrochemical cells. With the passivation method, there is also the risk that the passivation layer becomes increasingly thicker during operation of the electrochemical cell, as a result the cell resistance increases as a result and the efficiency of the cell decreases.
Aufgabe und Lösung Task and solution
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrochemische Zelle mit einer sauren Poly- mermembran bereit zu stellen, bei der die bislang übliche Korrosion zwischen einem Stromkollektor und einer Elektrode, die dieses Polymer ebenfalls aufweist, verringert oder sogar ganz verhindert wird. The object of the invention is to provide an electrochemical cell with an acidic polymer membrane, in which the hitherto customary corrosion between a current collector and an electrode which also comprises this polymer is reduced or even completely prevented.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elek- trochemischen Zelle anzugeben. Another object of the invention is to provide a method for producing such an electrochemical cell.
Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch eine elektrochemische Zelle gemäß Hauptanspruch, sowie durch ein Herstellungsverfahren gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen der elektrochemischen Zelle und/oder des Herstellungsverfahrens finden sich in den jeweils rückbezogenen Ansprüchen wieder. The objects of the invention are achieved by an electrochemical cell according to the main claim, as well as by a manufacturing method according to the independent claim. Advantageous embodiments of the electrochemical cell and / or the manufacturing process can be found in the respective dependent claims again.
Gegenstand der Erfindung Subject of the invention
Das wesentliche Merkmal der Erfindung ist die Behandlung von Bauteilen einer elektroche- mischen Zelle mit einer Lösung oder einer Dispersion umfassend wenigstens ein alkalisches Polymer. Nach der Trocknung und Fixierung des alkalischen Polymers entstehen so zumindest einzelne Bereiche auf der Oberfläche des Bauteils, die wenigstens ein alkalisches Polymer umfassen und die den pH-Wert an der Bauteiloberfläche bei Kontakt mit einer Flüssigkeit, insbesondere mit Wasser erhöhen. Auf diese Weise wird das Bauteil vorteilhaft vor Korrosion geschützt, ohne dass der notwendigen Stoff- und Elektronentransport behindert wird. The essential feature of the invention is the treatment of components of an electrochemical cell with a solution or a dispersion comprising at least one alkaline polymer. After drying and fixing of the alkaline polymer, at least individual regions thus arise on the surface of the component, which comprise at least one alkaline polymer and which increase the pH at the component surface upon contact with a liquid, in particular with water. In this way, the component is advantageously protected against corrosion, without the necessary material and electron transport is hindered.
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren, mit dem insbesondere der lokale pH-Wert an den Kontaktstellen zwischen einem Stromkollektor und einer Elektrode in einer elektrochemi- sehen Zelle mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran durch die Ablagerung und Fixierung wenigstens eines alkalischen Polymers erhöht und so die Korrosion verringert bzw. verhindert wird.
Im Sinne der Erfindung wird unter einem alkalischen Polymer, ein Polymer aus einem Grundgerüst verstanden, an dessen Seitenketten elektrisch positiv geladene, kationische Gruppen angebunden sind. Die elektrisch negativ geladenen Hydroxid-Gegenionen sind für die alkalische Wirkung verantwortlich. Als geeignete Grundgerüste kommen beispielsweise solche auf Basis von Polysulfon, vernetztem Polystyrol (Copolymerisat von Styrol mit Divi- nylbenzol), Cellulose, Agarose, Dextran, Polyphenylenoxid oder ähnliches in Frage. The invention describes a method with which in particular increases the local pH at the contact points between a current collector and an electrode in an electrochemical cell with a polymer-electrolyte membrane by the deposition and fixation of at least one alkaline polymer and so the corrosion is reduced or prevented. For the purposes of the invention, an alkaline polymer is understood as meaning a polymer of a skeleton on whose side chains electrically positively charged, cationic groups are attached. The electrically negatively charged hydroxide counterions are responsible for the alkaline effect. Examples of suitable backbones are those based on polysulfone, crosslinked polystyrene (copolymer of styrene with divinylbenzene), cellulose, agarose, dextran, polyphenylene oxide or the like.
Für die über Seitenketten gebundenen kationischen Gruppen können Alkylammoniumver- bindungen, wie beispielsweise Aminoethyl-, Diethylaminoethyl- (DEAE-), quaternäre Amino- ethyl- (QAE-), 1 ,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan, Imidazolgruppen, Pyridiumgruppen verwendet werden. Neben den Alkylammoniumgruppen können zum Beispiel auch positiv geladene Phoshoniumgruppen oder auch metallorganische kationische Gruppen eingesetzt werden. Eine kleine Auswahl von weiteren möglichen, im Sinne der Erfindung geeigneten kationischen Gruppen ist in J. R. Varcoe, P. Atanassov, D. Dekel, A. Herring, M. Hickner, P.A. Kohl, A. Kucernak, W. Mustain, K. Nijmeijer, K. Scott, T. Xu and L. Zhuang, Energy Environ. Sei., 2014, DOI: 10.1039/C4EE01303D aufgelistet, die insofern als mitoffenbart anzusehen sind. For the cationic groups attached via side chains, alkylammonium compounds such as aminoethyl-, diethylaminoethyl- (DEAE-), quaternary aminoethyl- (QAE-), 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane, imidazole groups, pyridium groups can be used become. In addition to the alkylammonium groups, it is also possible, for example, to use positively charged phosphonium groups or organometallic cationic groups. A small selection of other possible cationic groups suitable for the purposes of the invention can be found in J.R. Varcoe, P. Atanassov, D. Dekel, A. Herring, M. Hickner, P.A. Kohl, A. Kucernak, W. Mustain, K. Nijmeijer, K. Scott, T. Xu and L. Zhuang, Energy Environ. See, 2014, DOI: 10.1039 / C4EE01303D, which are to be regarded as co-disclosed.
Im Rahmen der Erfindung können zur Behandlung von Bauteilen einer elektrochemischen Zelle sowohl einzelne alkalische Polymere als auch Mischungen aus alkalischen Polymeren eingesetzt werden. In the context of the invention, both individual alkaline polymers and mixtures of alkaline polymers can be used for the treatment of components of an electrochemical cell.
Solche alkalischen Polymere, die im Sinne der Erfindung geeignet sind, werden häufig auch als Anionen-Austauscher eingesetzt, beispielsweise unter dem Handelsnamen LEWATIT® MonoPlus M 500 von der Firma Lanxess. Weiterhin wäre auch Diethylaminoethylcellulose (DEAE-Cellulose), welches häufig in der lonenchromatografie eingesetzt wird, als geeignet anzusehen. Die Cellulosevarianten sind aber wahrscheinlich in einer Brennstoffzelle oder einer Elektrolysezelle nicht so stabil. Kommerziell sind auch alkalische lonomerdispersionen verfügbar, beispielsweise die lonomerdispersion 12 der Firma Acta oder AS-4 der Firma Tokuyama, bei denen die Zusammensetzung unklar ist. Such alkaline polymers which are suitable for the purposes of the invention are frequently also used as anion exchangers, for example under the trade name LEWATIT® MonoPlus M 500 from Lanxess. Furthermore, diethylaminoethylcellulose (DEAE-cellulose), which is frequently used in ion chromatography, would also be considered suitable. However, the cellulose variants are probably not so stable in a fuel cell or electrolysis cell. Commercially available are also alkaline ionomer dispersions, for example the ionomer dispersion 12 from Acta or AS-4 from Tokuyama, in which the composition is unclear.
Das auf das Bauteil einer elektrochemischen Zelle aufgebrachte und fixierte alkalische Polymer zeigt bei Kontakt mit einer Flüssigkeit, deren Moleküle ein permanentes elektrisches Dipolmoment haben oder an denen sich elektrische Dipolmomente induzieren lassen, ein ähnliches Verhalten im Vergleich zu dem sauren Polymer. The alkaline polymer applied and fixed to the component of an electrochemical cell shows a similar behavior when contacted with a liquid whose molecules have a permanent electric dipole moment or at which electric dipole moments can be induced in comparison to the acidic polymer.
Das Polymergerüst des erfindungsgemäß eingesetzten alkalischen Polymers enthält über Seitenketten gebundene, kationische Gruppen, beispielsweise quaternäre Ammoniumgrup-
pen, und negativ geladene Ionen, beispielsweise Hydroxidionen, die bei Kontakt mit der Flüssigkeit eine Hülle von Hydroxidionen um das positiv geladene Polymergerüst aufbauen (siehe Figur 3). Durch die Ablagerung des alkalischen Polymers auf der Oberfläche des Stromkollektors entstehen dort Bereiche, die die saure Wirkung der Elektrode bei Kontakt vorteilhaft verringern und den pH-Wert anheben, wie in der Figur 4 dargestellt. The polymer backbone of the alkaline polymer used according to the invention contains cationic groups bonded via side chains, for example quaternary ammonium groups. pen, and negatively charged ions, for example, hydroxide ions, which build up on contact with the liquid, a shell of hydroxide ions to the positively charged polymer backbone (see Figure 3). As a result of the deposition of the alkaline polymer on the surface of the current collector, there arise regions which advantageously reduce the acidic effect of the electrode on contact and increase the pH, as shown in FIG.
Erfindungsgemäß wird zwischen den betroffenen Bauteilen, insbesondere zwischen einer Elektrode und einem benachbart dazu angeordneten Stromkollektor, wenigstens ein alkalisches Polymer angeordnet. Vorteilhaft kann hierfür entweder der Stromkollektor oder die Elektrode mit diesem alkalischen Polymer versetzt werden. Auch eine Behandlung sowohl des Stromkollektors, als auch der Elektrode kann in Betracht gezogen werden. Wichtig ist dabei, dass die Anordnung des alkalischen Polymers auf der Oberfläche den für den Zellbetrieb notwendigen Gastransport möglichst wenig beeinträchtigt und die notwendige elektrische Kontaktierung zwischen Elektrode und Stromkollektor durch Anpressung hergestellt werden kann. Bei der Anordnung des wenigstens einen alkalischen Polymers auf der Oberfläche kann man üblicherweise nicht von einer Schicht im engeren Sinne sprechen, und insofern auch nicht von einer porösen Schicht. Vielmehr wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nur sehr wenig Material auf der Oberfläche abgelagert, so dass das alkalische Polymer dort in der Regel nur in Form einzelner Bereiche unzusammenhängend angeordnet ist. According to the invention, at least one alkaline polymer is arranged between the affected components, in particular between an electrode and a current collector arranged adjacent thereto. Advantageously, either the current collector or the electrode can be mixed with this alkaline polymer. Also, treatment of both the current collector and the electrode may be considered. It is important that the arrangement of the alkaline polymer on the surface affected as little as possible for the cell transport gas transport and the necessary electrical contact between the electrode and the current collector can be made by pressing. In the case of the arrangement of the at least one alkaline polymer on the surface, it is customary not to speak of a layer in the strict sense, and to that extent also not of a porous layer. Rather, only very little material is deposited on the surface by the method according to the invention, so that the alkaline polymer is usually arranged there in an incoherent manner only in the form of individual regions.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Behandlung einer Bauteiloberfläche mit einer Dispersion, bestehend aus wenigstens einem alkalischem Polymer und einem elektrisch leitfähigen Feststoff, beispielsweise Ruß, erfolgen. In einem solchen Fall können möglichst dünne Schichten im Bereich von 0,5 bis 20 pm aufgebracht werden. In a further embodiment of the invention, the treatment of a component surface can be carried out with a dispersion consisting of at least one alkaline polymer and an electrically conductive solid, for example carbon black. In such a case as thin as possible layers can be applied in the range of 0.5 to 20 pm.
Die elektrische Leitfähigkeit einer solchen dünnen Schicht umfassend das alkalische Polymer kann unter anderem dadurch sichergestellt werden, dass dem alkalischen Polymer nunmehr wenigstens ein elektrisch leitfähiger Stoff zugegeben wird. Als ein geeigneter elektrisch leitfähiger Zusatzstoff können beispielsweise Ruß, Graphit oder auch Titanpulver verwendet werden.
Nach der Behandlung eines Bauteils einer elektrochemischen Zelle mit einer Lösung oder einer Dispersion umfassend wenigstens ein alkalisches Polymer, und nach anschließender Trocknung und Fixierung des Polymers, kann der auf der Oberfläche angeordnete Bereich den elektrisch leitenden Stoff mit einem Anteil von bis zu 90 Gew.-% aufweisen. The electrical conductivity of such a thin layer comprising the alkaline polymer can be ensured inter alia by adding at least one electrically conductive substance to the alkaline polymer. As a suitable electrically conductive additive, for example, carbon black, graphite or titanium powder can be used. After the treatment of a component of an electrochemical cell with a solution or a dispersion comprising at least one alkaline polymer, and after subsequent drying and fixing of the polymer, the area arranged on the surface may contain the electrically conductive substance in an amount of up to 90% by weight. % exhibit.
Für den Fall, dass der Beschichtung Ruß als elektrisch leitfähiger Stoff zugesetzt wird, könnte beispielsweise derselbe Ruß verwendet werden, wie er auch in den Elektroden vorkommen kann. Dieser weist in der Regel eine Partikelgröße um die 50 nm auf. Denkbar ist aber auch dass deutlich größere Partikel verwendet werden können, beispielsweise Graphit mit einer Partikelgröße bis zu 50 oder 100 μιη. Je größer die Partikel gewählt werden, desto größere Poren entstehen und umso geringerer fällt der Transportwiderstand aus. For example, if carbon black is added to the coating as an electrically conductive substance, the same carbon black as could be used in the electrodes could be used. This usually has a particle size of around 50 nm. It is also conceivable, however, that significantly larger particles can be used, for example graphite having a particle size of up to 50 or 100 μm. The larger the particles are selected, the larger the pores are formed and the lesser the transport resistance.
Das wenigstens eine alkalische Polymer wird mit oder ohne einen elektrisch leitfähigen Zusatzstoff erfindungsgemäß in Form einer Lösung oder einer Dispersion auf eines der Bauteil oder beide Bauteile einer elektrochemischen Zelle aufgebracht. Als Aufbringungsverfahren, die dafür geeignet sind, ist insbesondere das Sprühen, das Rakeln, das Schlitzgießen oder die Tauchbeschichtung zu nennen. The at least one alkaline polymer is applied with or without an electrically conductive additive according to the invention in the form of a solution or a dispersion on one of the component or both components of an electrochemical cell. In particular, spraying, doctoring, slot casting or dip coating may be mentioned as application methods suitable for this purpose.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beispielsweise eine Mischung aus ca. 70 Gew.-% Ruß und ca. 30 Gew.-% eines alkalischen Polymers in einem geeigneten Lösungsmittel zunächst gemischt und anschließend fein dispergiert. Für die Dispergierung könnte ein Ultraschalldispergierer oder ein Hochgeschwindigkeitsdispergierer eingesetzt werden. Auch eine Kugelmühle wäre denkbar. Je nach verwendetem Beschich- tungsverfahren kann der Feststoffanteil der Dispersion für die notwendige Viskosität einge- stellt werden. Viel Feststoff bedeutet dabei eine hohe Viskosität, wenig Feststoff eine geringe Viskosität. Ein typischer Rakelprozess benötigt beispielsweise eine Viskosität von ca. 200 bis 500 mPas, ein Sprühprozess eher eine Viskosität im Bereich von 1 bis 100 mPas. In one embodiment of the process according to the invention, for example, a mixture of about 70% by weight of carbon black and about 30% by weight of an alkaline polymer in a suitable solvent is first mixed and then finely dispersed. For dispersion, an ultrasonic disperser or a high-speed disperser could be used. A ball mill would be conceivable. Depending on the coating method used, the solids content of the dispersion can be adjusted to the required viscosity. A lot of solid means a high viscosity, little solid means a low viscosity. For example, a typical doctoring process requires a viscosity of about 200 to 500 mPas, a spraying process rather a viscosity in the range of 1 to 100 mPas.
Nach der Auftragung der Lösung oder der Dispersion auf das Bauteil werden die dünne Schicht oder die unzusammenhängend vorliegenden Bereiche getrocknet und fixiert, so dass sie anschließend nicht mehr vom Bauteil gelöst werden können. Dieser Verfahrensschritt kann beispielsweise durch einen Sinterprozess erfolgen. After the solution or dispersion has been applied to the component, the thin layer or discontinuously present regions are dried and fixed so that they can no longer be detached from the component. This process step can be carried out, for example, by a sintering process.
Bei einem solchen Sinterungsprozess sollte der Schmelzpunkt, bzw. die Glasübergangstem- peratur des jeweiligen alkalischen Polymers erreicht werden, das heißt typischerweise im Bereich zwischen 50 °C und 200 °C durchgeführt werden (Nafion® mit saurer Gruppe, hat beispielsweise einen Glaspunkt von ca. 130 °C). Die Glasübergangstemperatur ist die Tem-
peratur, bei der ganz oder teilweise amorph vorliegende Polymere vom flüssigen oder gummielastischen, flexiblen Zustand in den glasigen oder hartelastischen, spröden Zustand übergehen. Da die konkrete Polymerzusammensetzung kommerzieller lonomerdispersionen häufig unbekannt ist, muss die Glasübergangstemperatur für den Sinterungsprozess gege- benenfalls jeweils zuvor bestimmt werden, beispielsweise mittels DSC (Differential Scanning Calorimetrie). In such a sintering process, the melting point, or the glass transition temperature of the respective alkaline polymer should be achieved, that is typically carried out in the range between 50 ° C and 200 ° C (Nafion® with acidic group, for example, has a glass transition point of approx. 130 ° C). The glass transition temperature is the temperature in which completely or partially amorphous polymers change from the liquid or rubber-elastic, flexible state to the glassy or hard-elastic, brittle state. Since the concrete polymer composition of commercial ionomer dispersions is often unknown, the glass transition temperature for the sintering process may have to be determined beforehand in each case, for example by means of DSC (differential scanning calorimetry).
Wichtig bei der Dispersions- bzw. Lösungsherstellung ist, dass das alkalische Polymer, sofern es mit einem elektrisch leitfähigen Stoff vermischt wurde, in der Schicht beim Trock- nen keinen durchgehenden Film ausbildet, sondern als Mischung mit den elektrisch leitfähigen Partikeln vorliegt, damit der Stofftransport und die elektrische Leitfähigkeit der Schicht gewährleistet werden kann. Die exakte Herstellungsart der Dispersion sowie das Trocknungsverfahren können in Abhängigkeit des verwendeten Polymers und der leitfähigen Partikel jeweils einzeln entwickelt werden. It is important in the case of dispersion or solution preparation that the alkaline polymer, if it has been mixed with an electrically conductive substance, does not form a continuous film in the layer during drying, but is present as a mixture with the electrically conductive particles, thus ensuring mass transfer and the electrical conductivity of the layer can be ensured. The exact method of preparation of the dispersion and the drying process can be developed individually depending on the polymer used and the conductive particles.
Spezieller Beschreibunqsteil Special description
Eine erste mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, den Stromkollektor einer elektrochemischen Zelle mit einer Dispersion aus einem alkalischem Polymer und einem elektrisch leitfähigem Stoff, beispielsweise elektrisch leitfähigem Ruß, Graphit oder Titanpulver zu beschichten. Als basisches Polymer eignen sich alkalische Polymere, bestehend aus einem Grundgerüst, beispielsweise auf Basis eines Styrol-Divinylbenzol-Copolymers, das über Seitenketten quartäre Ammoniumverbindungen enthält, die für die alkalische Wirkung verantwortlich sind. Solche Polymere werden auch als Anionentauscher eingesetzt, beispiels- weise unter dem Handelsnamen LEWATIT® MonoPlus M 500 von der Firma Lanxess. Desweiteren können auch kommerziell erhältliche alkalische lonomerdispersionen verwendet werden bei denen die genaue Zusammensetzung nicht bekannt ist, wie beispielsweise das lonomer 12 der Firma Acta oder AS-4 der Firma Tokuyama. Eine alternative Ausführungsart besteht beispielsweise darin, den Stromkollektor einer elektrochemischen Zelle mit einer alkalischen Polymerlösung zu besprühen, die Lösung anschließend zu trocknen und dann das Polymer zu sintern. A first possible embodiment of the invention provides for coating the current collector of an electrochemical cell with a dispersion of an alkaline polymer and an electrically conductive substance, for example electrically conductive carbon black, graphite or titanium powder. Suitable basic polymers are alkaline polymers consisting of a backbone, for example based on a styrene-divinylbenzene copolymer, which contains side chains of quaternary ammonium compounds which are responsible for the alkaline action. Such polymers are also used as anion exchangers, for example under the trade name LEWATIT® MonoPlus M 500 from Lanxess. Furthermore, it is also possible to use commercially available alkaline ionomer dispersions in which the exact composition is not known, such as, for example, the ionomer 12 from Acta or AS-4 from Tokuyama. An alternative embodiment is, for example, spraying the current collector of an electrochemical cell with an alkaline polymer solution, then drying the solution and then sintering the polymer.
Theoretisch kann auch eine Behandlung der Elektrode anstelle eines Stromkollektors erfol- gen. Beim Beschichten der Elektrode muss man jedoch bedenken, dass das alkalische Polymer nicht zu viel des sauren Polymers, das in der Elektrode für den Protonentransport benötigt wird, neutralisiert. Andernfalls könnte die Elektrode nachteilig an Leistungsfähigkeit
verlieren. Die alkalische Polymerlösung sollte also nicht in die Elektrode eindringen. Es wäre aber durchaus denkbar, die Elektrode mit einer hochviskosen Dispersion aus Ruß und alkalischen Polymer zu beschichten, wobei die Fließgrenze der Dispersion ein Eindringen in die Elektrode verhindern könnte. In diesem Fall könnte man auch die Elektrode behandeln, und eine Behandlung des Stromkollektors wäre nicht mehr nötig, da mit der Behandlung der Elektrode der pH-Wert ja schon auf neutral eingestellt wäre. Theoretically, treatment of the electrode may be used instead of a current collector. However, when coating the electrode, it must be remembered that the alkaline polymer does not neutralize too much of the acidic polymer needed in the electrode for proton transport. Otherwise, the electrode could be detrimental to performance to lose. The alkaline polymer solution should therefore not penetrate into the electrode. However, it would be quite conceivable to coat the electrode with a highly viscous dispersion of carbon black and alkaline polymer, wherein the yield strength of the dispersion could prevent penetration into the electrode. In this case, you could also treat the electrode, and a treatment of the current collector would be no longer necessary because with the treatment of the electrode, the pH would already be set to neutral.
1. Ausführungsbeispiel: 1st embodiment:
10 g der kommerziell erhältlichen lonomerdispersion AS-4 der Firma Tokuyama werden mit 30 g 1-Propanol verdünnt und anschließend mit einer Sprühvorrichtung direkt auf ein Kohlesubstrat aufgesprüht, welches die Funktion eines Stromkollektors einer elektrochemischen Zelle aufweist. Nach dem Sprühvorgang wird das Kohlesubstrat getrocknet, bis der Flüssigkeitsanteil in der Schicht kleiner als 3 Gew.-% ist. Nach der Trocknung wird das Flächengewicht des aufgetragenen Polymers durch Wägung bestimmt. 10 g of the commercially available ionomer dispersion AS-4 from Tokuyama are diluted with 30 g of 1-propanol and then sprayed with a spray device directly onto a carbon substrate, which has the function of a current collector of an electrochemical cell. After the spraying process, the carbon substrate is dried until the liquid content in the layer is less than 3% by weight. After drying, the weight per unit area of the polymer applied is determined by weighing.
Diese Verfahrensschritte, also das Aufsprühen einer Polymerlösung auf das Bauteil und abschließendes Trocknen und Auswiegen kann so oft wiederholt werden, bis ein Flächengewicht von 0,1 mg/cm2 erreicht ist. Je nach Zielsetzung kann das Flächengewicht zwischen 0,01 und 1 mg/cm2 liegen. These process steps, ie the spraying of a polymer solution onto the component and subsequent drying and weighing can be repeated until a surface weight of 0.1 mg / cm 2 is reached. Depending on the objective, the basis weight may be between 0.01 and 1 mg / cm 2 .
Nach dem Erreichen der angestrebten Belegung mit dem alkalischen Polymer wird das behandelte Kohlesubstrat für 15 Minuten auf Temperaturen oberhalb der entsprechenden Glasübergangstemperatur des Polymers erwärmt. Die Glasübergangstemperatur muss vorher experimentell bestimmt werden, beispielsweise mittels DSC. After reaching the desired alkaline polymer occupancy, the treated carbon substrate is heated for 15 minutes to temperatures above the corresponding glass transition temperature of the polymer. The glass transition temperature must first be determined experimentally, for example by means of DSC.
2. Ausführungsbeispiel 2nd embodiment
Eine Mischung aus 1 g Ruß (Vulcan® XC72 der Firma Cabot) und 7,5 g der kommerziellen lonomerdispersion AS-4 der Firma Tokuyama werden zunächst in einem Reaktor mit einem Mixer verrührt und auf 5 °C gekühlt. Anschließend wird die Mischung für 2 Minuten mit einem Ultraschallfinger (Durchmesser 6 mm) bei einer Amplitude von 30 % im Pulsverfahren (0,5 s ein/ 0,5 s aus) dispergiert. Anschließend wird die Dispersion unter Vakuum gerührt, bis das in der lonomerdispersion enthaltene 1-Propanol so weit verdampft ist, dass die Dispersion einen Feststoffanteil von ca. 25 Gew.-% und eine Viskosität zwischen 200 und 1000 mPas aufweist. Die Dispersion wird anschließend auf ein Kohlevlies mit einem Spalt von 100 μηι bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,3 m/min aufgerakelt. Anschließend wird die Schicht bei 80 °C so lange getrocknet, bis die Restfeuchte der Schicht weniger als 3 Gew.-% beträgt.
Für den nachfolgenden Sinterungsprozess wird das beschichtete Vlies bis zur Glasübergangstemperatur erhitzt. A mixture of 1 g of carbon black (Vulcan® XC72 from Cabot) and 7.5 g of commercial ionomer dispersion AS-4 from Tokuyama are first stirred in a reactor with a mixer and cooled to 5 ° C. Subsequently, the mixture is dispersed for 2 minutes with an ultrasonic finger (diameter 6 mm) at an amplitude of 30% in the pulse method (0.5 s on / 0.5 s off). The dispersion is subsequently stirred under reduced pressure until the 1-propanol present in the ionomer dispersion has evaporated to such an extent that the dispersion has a solids content of about 25% by weight and a viscosity of between 200 and 1000 mPas. The dispersion is then knife-coated onto a carbon nonwoven with a gap of 100 μm at a feed rate of 0.3 m / min. Subsequently, the layer is dried at 80 ° C until the residual moisture of the layer is less than 3 wt .-%. For the subsequent sintering process, the coated nonwoven is heated to the glass transition temperature.
Das alkalische Polymer erhöht bei Aufnahme von Wasser regelmäßig den pH-Wert unmittelbar zwischen der Elektrode und dem Stromkollektor und verringert so die säurebedingte Korrosion am Stromkollektor. Durch die Erhöhung des pH-Wertes auf neutrale Werte (um pH 7) können weniger edle und damit kostengünstigere Materialien für den Bau der Stromkollektoren verwendet werden, beispielsweise Graphit. The alkaline polymer, upon ingestion of water, regularly increases the pH directly between the electrode and the current collector, thereby reducing acid-induced corrosion on the current collector. By raising the pH to neutral levels (around pH 7), less noble and thus less expensive materials can be used to construct the current collectors, such as graphite.
Im Brennstoffzellenbetrieb entsteht das Wasser in der Kathode, wo daher auch erfindungs- gemäß die Korrosion durch das alkalische Polymer verringert werden soll. Im Falle des Elektrolysebetriebes werden die Elektroden mit Wasser versorgt. Das Wasser gelangt durch die Diffusionsschichten zur Elektrode, und wird dort elektrochemisch zerlegt. Gegebenenfalls kann die Reaktion mit Wasser auch bereits beim Zusammenbau erfolgen, sofern feuchte Komponenten verwendet werden. Dann könnte sich die vorteilhafte alkalische Wirkung be- reits dann bemerkbar machen. In fuel cell operation, the water is produced in the cathode, where, according to the invention, the corrosion by the alkaline polymer should also be reduced. In the case of the electrolysis operation, the electrodes are supplied with water. The water passes through the diffusion layers to the electrode, where it is decomposed electrochemically. Optionally, the reaction with water can already take place during assembly, if moist components are used. Then the beneficial alkaline effect could already be noticeable.
Die Figuren 1 bis 4 zeigen schematisch die Struktur des erfindungsgemäß eingesetzten alkalischen Polymers bzw. der erfindungsgemäß eingesetzten alkalischen Polymermischung und die Auswirkungen auf die Grenzfläche Elektrode/Stromkollektor. FIGS. 1 to 4 show schematically the structure of the alkaline polymer or of the alkaline polymer mixture used according to the invention and the effects on the electrode / current collector interface.
In der Figur 1 wird das Vorliegen einer elektrischen Doppelschicht eines sauren Polymers, wie es in deiner sauren Polymermembran vorkommt, veranschaulicht. Den Kern bildet ein negativ geladenes Grundgerüst, welches von positiv geladenen Seitenketten umgeben ist (Figur 1 , oben). Bei Zugabe einer Flüssigkeit, insbesondere von Wasser, werden die jeweils entgegengesetzten Ladungen auseinandergedrängt, so dass sich eine lonenhülle aufbaut (Figur 1 , unten). In Figure 1, the presence of an electrical double layer of an acidic polymer as found in your acidic polymer membrane is illustrated. The nucleus is a negatively charged backbone, which is surrounded by positively charged side chains (Figure 1, top). When a liquid, in particular water, is added, the respectively opposite charges are forced apart so that an ion shell is built up (FIG. 1, bottom).
Die Figur 2 zeigt schematisch, wie sich saure Polymere, die nicht nur in der sauren Polymermembran sondern auch in den angrenzenden Elektroden zu finden sind, mit entspre- chenden lonenhüllen auf der Oberfläche der Elektrode bei Kontakt mit einem Stromkollektor verhalten. Die positiv geladenen lonenhüllen treten dabei in direkten Kontakt mit dem Stromkollektor und bewirken dort die nachteiligen Korrosionserscheinungen. FIG. 2 shows schematically how acidic polymers, which can be found not only in the acidic polymer membrane but also in the adjacent electrodes, behave with corresponding ion sheaths on the surface of the electrode in contact with a current collector. The positively charged ion sheaths come into direct contact with the current collector and cause there the adverse corrosion phenomena.
Die Figur 3 zeigt analog zu Figur 1 die elektrische Doppelschicht für ein erfindungsgemäß eingesetztes alkalisches Polymer, wie sie sich aus dem positiv geladenen Grundgerüst und den negativ geladenen quaternären Seitenketten ergibt (Figur 3 oben). Bei Zugabe einer Flüssigkeit, insbesondere von Wasser, werden die jeweils entgegengesetzten Ladungen
auseinandergedrängt, so dass sich auch hier eine entsprechende lonenhülle aufbaut (Figur 3 unten). FIG. 3 shows, analogously to FIG. 1, the electrical double layer for an alkaline polymer used according to the invention, as it results from the positively charged skeleton and the negatively charged quaternary side chains (FIG. 3, top). When adding a liquid, especially water, the respective opposite charges pushed apart, so that here also a corresponding ion shell builds (Figure 3 below).
In der Figur 4 ist eine ähnliche Situation wie in Figur 2 dargestellt, mit dem Unterschied, dass die Oberfläche des Stromkollektors nun erfindungsgemäß wenigstens einen Bereich mit wenigstens einem alkalischen Polymer aufweist. Im Idealfall verhindert das auf der Oberfläche angelagerte alkalische Polymer mit seiner ebenfalls vorhandenen lonenhülle einen direkten Kontakt der lonenhülle des sauren Polymers mit dem Stromkollektor. Dadurch wird lokal der pH-Wert erhöht und somit mögliche Korrosionserscheinungen vermieden, bzw. ganz verhindert.
FIG. 4 shows a situation similar to that in FIG. 2, with the difference that according to the invention the surface of the current collector has at least one region with at least one alkaline polymer. Ideally, the surface-mounted alkaline polymer with its ionic envelope also prevents direct contact of the ion shell of the acidic polymer with the current collector. As a result, the pH is increased locally and thus possible corrosion phenomena avoided or completely prevented.
Claims
P a t e n t a n s p r ü c h e P a n t a n s p r e c h e
Elektrochemische Zelle mit wenigstens einer sauren Polymermembran, sowie mit wenigstens einer Elektrode und einem dazu benachbart angeordneten Stromkollektor, dadurch gekennzeichnet, Electrochemical cell having at least one acidic polymer membrane, as well as having at least one electrode and a current collector arranged adjacently thereto, characterized
dass zwischen der Elektrode und dem Stromkollektor die Oberfläche der Elektrode und/oder des Stromkollektors wenigstens einen Bereich aufweist, der wenigstens ein alkalisches Polymer oder eine alkalische Polymermischung umfasst. in that, between the electrode and the current collector, the surface of the electrode and / or of the current collector has at least one region comprising at least one alkaline polymer or an alkaline polymer mixture.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1 , wobei der Bereich wenigstens ein alkalisches Polymer mit einem Grundgerüst auf Basis von Polysulfon, aus vernetztem Polystyrol, aus Cellulose, aus Agarose, aus Dextran oder aus Polyphenylenoxid umfasst. An electrochemical cell according to claim 1, wherein said region comprises at least one alkaline polymer having a polysulfone, cross-linked polystyrene, cellulose, agarose, dextran or polyphenylene oxide backbone.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Bereich wenigstens ein alkalisches Polymer mit Seitenketten umfasst, die quartäre Ammoniumverbindungen, Phoshoniumgruppen oder auch metallorganische kationische Gruppen aufweisen. An electrochemical cell according to any one of claims 1 or 2, wherein said region comprises at least one side-chain alkaline polymer having quaternary ammonium compounds, phosphonium groups or even organometallic cationic groups.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Bereich zusätzlich wenigstens einen elektrisch leitenden Stoff aufweist. An electrochemical cell according to any one of claims 1 to 3, wherein said region additionally comprises at least one electrically conductive substance.
Elektrochemische Zelle nach vorhergehendem Anspruch 4, wobei der Bereich Ruß, Graphit und/oder Titanpulver als elektrisch leitenden Stoff aufweist. Electrochemical cell according to the preceding claim 4, wherein the region comprises carbon black, graphite and / or titanium powder as the electrically conductive substance.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei der Bereich den elektrisch leitenden Stoff mit einem Anteil von bis zu 90 Gew.-% aufweist. An electrochemical cell according to any one of claims 4 to 5, wherein the region comprises the electroconductive substance in an amount of up to 90% by weight.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der zusätzliche elektrisch leitende Stoff eine maximale mittlere Teilchengröße von 100 μηι aufweist, vorteilhaft von maximal 50 μητι, und besonders vorteilhaft von maximal 50 nm aufweist. Electrochemical cell according to one of claims 4 to 6, wherein the additional electrically conductive material has a maximum average particle size of 100 μηι, advantageously of a maximum of 50 μητι, and particularly advantageously has a maximum of 50 nm.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Bereich auf einer Oberfläche eine durchgehende Schicht mit einer Schichtdicke zwischen 0,5 und 20 μητι ausbildet.
Electrochemical cell according to one of claims 1 to 7, wherein the region on a surface forms a continuous layer with a layer thickness between 0.5 and 20 μητι.
9. Verfahren zur Herstellung einer elektrochemische Zelle mit wenigstens einer sauren Polymermembran, sowie mit wenigstens einer Elektrode und einem dazu benachbart angeordneten Stromkollektor, 9. A method for producing an electrochemical cell having at least one acidic polymer membrane, and at least one electrode and a current collector arranged adjacent thereto,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
- dass auf die Oberfläche des Stromkollektors und/oder der benachbart angeordneten Elektrode eine Lösung oder Dispersion umfassend wenigstens ein alkalisches Polymer aufgebracht wird, und - That on the surface of the current collector and / or the adjacently arranged electrode, a solution or dispersion comprising at least one alkaline polymer is applied, and
- dass anschließend die Lösung oder Dispersion getrocknet und fixiert wird, so dass wenigstens eine Oberfläche wenigstens einen Bereich aufweist, der wenigstens ein al- kaiisches Polymer oder eine alkalische Polymermischung umfasst. - That then the solution or dispersion is dried and fixed, so that at least one surface has at least one region comprising at least one Al kaiisches polymer or an alkaline polymer mixture.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem eine Lösung oder Dispersion eingesetzt wird, die wenigstens ein alkalisches Polymer mit einem Grundgerüst auf Basis von Polysulfon, aus vernetztem Polystyrol, aus Cellulose, aus Agarose, aus Dextran oder aus Poly- phenylenoxid umfasst. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, bei dem eine Lösung oder Dispersion eingesetzt wird, die wenigstens ein alkalisches Polymer mit Seitenketten umfasst, die quartäre Ammoniumverbindungen, Phoshoniumgruppen oder auch metallorganische kationische Gruppen aufweisen. 10. The method of claim 9, wherein a solution or dispersion is used which comprises at least one alkaline polymer having a skeleton based on polysulfone, crosslinked polystyrene, cellulose, agarose, dextran or from poly- phenylene oxide. 11. The method according to any one of claims 9 to 10, wherein a solution or dispersion is used which comprises at least one alkaline polymer having side chains, the quaternary ammonium compounds, phosphonium groups or organometallic cationic groups.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , bei dem das Aufbringen der Lösung oder der Dispersion mittels Sprühen, Rakeln, Schlitzgießen oder mit Hilfe einer Tauch- beschichtung erfolgt. 12. The method according to any one of claims 9 to 11, wherein the application of the solution or the dispersion by means of spraying, knife coating, slot casting or by means of a dip coating takes place.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem zum Fixieren der aufgebrachten Lösung oder Dispersion diese zusammen mit der Elektrode und/oder dem Stromkollektor gesintert wird. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem die Lösung oder Dispersion zusätzlich wenigstens einen elektrisch leitenden Stoff aufweist. 13. The method according to any one of claims 9 to 12, wherein for fixing the applied solution or dispersion, this is sintered together with the electrode and / or the current collector. 14. The method according to any one of claims 9 to 13, wherein the solution or dispersion additionally comprises at least one electrically conductive substance.
15. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch 14, bei dem die Lösung oder Dispersion Ruß, Graphit und/oder Titanpulver als zusätzlichen elektrisch leitenden Stoff aufweist.
15. The method according to the preceding claim 14, wherein the solution or dispersion comprises carbon black, graphite and / or titanium powder as an additional electrically conductive substance.
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