[go: up one dir, main page]

DE102004063457A1 - Membrane electrode unit for fuel cell, has catalyst containing layer arranged with polymer-intermixture between fuel cell membrane and gas diffusion layers in such a manner that water is stored and kept in electrode unit and/or membrane - Google Patents

Membrane electrode unit for fuel cell, has catalyst containing layer arranged with polymer-intermixture between fuel cell membrane and gas diffusion layers in such a manner that water is stored and kept in electrode unit and/or membrane Download PDF

Info

Publication number
DE102004063457A1
DE102004063457A1 DE102004063457A DE102004063457A DE102004063457A1 DE 102004063457 A1 DE102004063457 A1 DE 102004063457A1 DE 102004063457 A DE102004063457 A DE 102004063457A DE 102004063457 A DE102004063457 A DE 102004063457A DE 102004063457 A1 DE102004063457 A1 DE 102004063457A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
membrane
fuel cell
electrode unit
polymer
gas diffusion
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.)
Withdrawn
Application number
DE102004063457A
Other languages
German (de)
Inventor
Christiane Jacksch
Gerold HÜBNER
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.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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 Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Priority to DE102004063457A priority Critical patent/DE102004063457A1/en
Publication of DE102004063457A1 publication Critical patent/DE102004063457A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8825Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8828Coating with slurry or ink
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8652Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites as mixture
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8657Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites layered
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

The electrode unit has a fuel cell membrane (12), which is arranged between two gas diffusion layers (15, 16). The cell membrane is formed on the basis of acidic beverage polymers. A catalyst containing layer (14) is arranged with a polymer-intermixture between the fuel cell membrane and the gas diffusion layers in such a manner that water is stored and kept in the electrode unit and/or the membrane.

Description

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektrodeneinheit einer Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a membrane electrode assembly of a fuel cell according to the preamble of claim 1.

Während des Betriebs einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) wird ein Sauerstoff enthaltendes Gas der Kathode und ein Wasserstoff enthaltendes Gas der Anode zugeführt. An der Anode findet die elektrochemische Oxidation des Wasserstoffs statt, an der Kathode die Reduktion des Sauerstoffs. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie kann in Brennstoffzellen unabhängig von einer Carnot-Limitierung ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden.During the Operation of a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEM Fuel Cell) becomes an oxygen-containing gas of the cathode and a hydrogen containing gas supplied to the anode. At the anode, the electrochemical oxidation of hydrogen takes place instead, at the cathode the reduction of oxygen. By the direct Implementation of chemical into electrical energy can be done in fuel cells independently from a Carnot limitation a high efficiency can be achieved.

Die zur Zeit am weitesten entwickelte PEM-Brennstoffzellentechnologie basiert auf Nafion®-Membranen als Elektrolyt. Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, wodurch die Protonenleitfähigkeit der Membran an das Vorhandensein von flüssigem Wasser gekoppelt ist. Dies limitiert die Betriebstemperatur bei Normaldruck auf unter 100°C. Bei Temperaturen, die höher als 80–95°C sind, verschlechtert sich die Leistung der Brennstoffzelle aufgrund des Flüssigkeitsverlusts deutlich. Zur Aufrechterhaltung der Leitfähigkeit der Membran oberhalb von 100°C sind aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Dampfdrucks von Wasser sehr große Wassermengen zur Befeuchtung der Membran nötig. In Systemen mit einem Druck größer als der Normaldruck kann die Temperatur zu Lasten der Effizienz, Größe und des Gewichts des Gesamtsystems erhöht werden. Für den Betrieb deutlich über 100°C würde der benötigte Druck drastisch ansteigen.The PEM fuel cell technology developed at the time the most based on Nafion ® membranes as the electrolyte. The electrolytic conduction takes place via hydrated protons, whereby the proton conductivity of the membrane is coupled to the presence of liquid water. This limits the operating temperature at normal pressure below 100 ° C. At temperatures higher than 80-95 ° C, the performance of the fuel cell deteriorates significantly due to the loss of fluid. To maintain the conductivity of the membrane above 100 ° C due to the temperature dependence of the vapor pressure of water very large amounts of water to moisten the membrane necessary. In systems with a pressure greater than normal pressure, the temperature can be increased at the expense of the overall system's efficiency, size, and weight. For operation well above 100 ° C, the required pressure would increase dramatically.

Betriebstemperaturen größer als 100°C sind aus den verschiedensten Gründen erstrebenswert. Die Elektrokinetik wie auch die katalytische Aktivität für beide Elektroden wird mit zunehmender Temperatur gesteigert. Außerdem ist die Toleranz gegenüber Verunreinigungen der eingesetzten Betriebsgase, beispielsweise gegenüber Kohlenmonoxid, höher. Für den Einsatz in einem Fahrzeug ist aufgrund des geringen Wärmeaustrags in die Abluft eine große Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur vorteilhaft.operating temperatures greater than 100 ° C are off for a variety of reasons desirable. The electrokinetics as well as the catalytic activity for both Electrodes increase with increasing temperature. Besides that is the tolerance to contamination the operating gases used, for example with respect to carbon monoxide, higher. For use in a vehicle is due to the low heat emission into the exhaust air a big temperature difference advantageous to the ambient temperature.

Ein viel versprechender Ansatz, wie eine mit keiner oder mit sehr geringer Befeuchtung bei Betriebstemperaturen von 120°C bis 180°C arbeitende Brennstoffzelle verwirklicht werden kann, betrifft einen Brennstoffzellentyp, bei dem die Leitfähigkeit der Membran auf dem Gehalt an flüssiger, elektrostatisch an das Polymergerüst der Membran gebundener Säure basiert, die auch bei nahezu vollständiger Trockenheit der Membran oberhalb des Siedepunkts von Wasser ohne zusätzliche Befeuchtung der Betriebsgase die Protonenleitfähigkeit übernimmt. Der hier beschriebene Brennstoffzellentyp, wie er im Stand der Technik bekannt ist, wird allgemein als Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (HTM-Brennstoffzelle) bezeichnet. Bekannt ist Polybenzimidazol (PBI) als Material für solche Membranen, die beispielsweise mit Phosphorsäure als Flüssigelektrolyt imprägniert sind.One promising approach, like one with no or very little Humidification at operating temperatures from 120 ° C to 180 ° C working fuel cell can be realized relates to a fuel cell type, in the conductivity the membrane on the content of liquid, electrostatically bound to the polymer backbone of the membrane-bound acid, which is also almost complete Dryness of the membrane above the boiling point of water without additional Humidification of the operating gases takes over the proton conductivity. The one described here Fuel cell type, as is known in the art is generally as a high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (HTM fuel cell) designated. Polybenzimidazole (PBI) is known as a material for such Membranes which are impregnated, for example, with phosphoric acid as a liquid electrolyte.

Der Einsatz derartiger Membranen erfordert allerdings eine Anpassung kommerzieller Elektroden an die Polymer-Membran. Diese wird in der Regel dadurch erreicht, dass die Elektroden auf der zur Polymer-Membran hin weisenden Seite mit Elektrolyt getränkt werden, der dann die Anbindung an die Polymer-Membran ermöglicht. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass eine durch Heißpressen bei entsprechenden Drücken und Temperaturen erhaltene MEA (membrane electrode assembly, Membran-Elektrodeneinheit) zur Imprägnierung als Ganzes in Säure eingelegt wird.Of the However, use of such membranes requires an adaptation commercial electrodes to the polymer membrane. This is in the Usually achieved by placing the electrodes on the polymer membrane side facing with electrolyte soaked, then the connection allowed to the polymer membrane. Another possibility exists in that one by hot pressing at appropriate pressures and temperatures obtained MEA (Membrane Electrode Assembly) for impregnation as a whole in acid is inserted.

Kritisch wirkt sich bei diesem Membrantyp ein Absenken der Betriebstemperatur unter den Siedepunkt von Wasser aus, wie es etwa bei einem Kaltstart der Brennstoffzelle oder beim Herunterfahren des Brennstoffzellensystems nötig ist. Der in Wasser lösliche Elektrolyt kann durch das flüssige Produktwasser aus der Zelle gelöst und aus der MEA ausgetragen werden. Dadurch kommt es zu irreversiblen Schädigungen der Polymer-Membran, da anschließend nicht mehr genügend Ladungsträger für den Protonentransport zur Verfügung stehen.Critical This type of membrane has the effect of lowering the operating temperature below the boiling point of water, such as during a cold start the fuel cell or when shutting down the fuel cell system is necessary. The water-soluble Electrolyte can by the liquid Product water released from the cell and be discharged from the MEA. This leads to irreversible damage the polymer membrane, there afterwards not enough anymore charge carrier for proton transport to disposal stand.

Die bisherigen auf diesem Membrantyp basierenden Brennstoffzellen müssen daher bis zum Erreichen der Siedetemperatur von Wasser stromlos gehalten werden, um einen Elektrolytaustrag zu verhindern. Eine Leistungsanforderung darf bei diesem Brennstoffzellentyp erst erfolgen, wenn Temperaturen erreicht sind, bei denen sichergestellt ist, dass infolge der Brennstoffzellenreaktion entstehendes Produktwasser dampfförmig anfällt.The Therefore, based on this type of membrane fuel cells must therefore held until the boiling temperature of water de-energized to prevent electrolyte leakage. A performance requirement This type of fuel cell must not be used until temperatures which ensures that as a result of the fuel cell reaction resulting product water is obtained in vapor form.

Um die mechanische Belastung der Bauteile gering zu halten, muss hierfür eine Zeit von etwa 30 Minuten angesetzt werden, bevor das System betriebsbereit ist, was die Eignung dieses Membrantyps für mobile Anwendungen bisher stark eingeschränkt hat. Andererseits stellt dieser Membrantyp aufgrund der erhöhten Betriebstemperatur und dem geringen Feuchtebedarf einen besonders vorteilhaften Protonenleiter für mobile Anwendungen dar.Around To keep the mechanical stress of the components low, this must be a time about 30 minutes before the system is ready is what the suitability of this type of membrane for mobile applications so far has severely limited. On the other hand, this membrane type is due to the increased operating temperature and the low moisture requirement a particularly advantageous proton conductor for mobile Applications dar.

Aus der US 6,124,060 A1 ist bekannt, einen Elektrolyten mit höherer Anbindungstendenz an das Polymer der Polymer-Membran zu verwenden und Phosphorsäure durch Alkylphosphorsäure oder Phenylphosphorsäure zu ersetzen. Allerdings liegen die berichteten Leistungen bzw. Leitfähigkeiten unterhalb der mit Phosphorsäure getränkten Membranen. From the US 6,124,060 A1 It is known to use an electrolyte with a higher binding tendency to the polymer of the polymer membrane and phosphoric acid by alkyl phosphoric acid or Phe to replace nylphosphoric acid. However, the reported performances and conductivities are below the phosphoric acid impregnated membranes.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Membran-Elektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle anzugeben, bei der ein Austrag eines Flüssigelektrolyten vermindert wird.It The object of the invention is a membrane electrode unit for a fuel cell in which a discharge of a liquid electrolyte decreases becomes.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.The inventive solution this The object is the characterizing features of the main claim, advantageous embodiments of the invention describe the dependent claims.

Eine erfindungsgemäße Membran-Elektrodeneinheit mit einer zwischen zwei Gasdiffusionsschichten angeordneten Brennstoffzellenmembran, wobei die Brennstoffzellenmembran auf der Basis eines säuredotierten Polymers gebildet ist, weist auf der jeweiligen Gasdiffusionsschicht jeweils wenigstens eine katalysatorhaltige Schicht mit einem Polymer-Zusatz so auf, dass Wasser in der Membran-Elektrodeneinheit und/oder der Brennstoffzellenmembran gehalten wird und/oder Säure gespeichert wird.A Membrane electrode unit according to the invention with a arranged between two gas diffusion layers fuel cell membrane, wherein the fuel cell membrane based on an acid-doped Polymer is formed points to the respective gas diffusion layer in each case at least one catalyst-containing layer with a polymer additive so that water in the membrane electrode assembly and / or the Fuel cell membrane is held and / or acid is stored.

Vorzugsweise kann der Polymer-Zusatz der katalysatorhaltigen Schicht aus der Gruppe von Polyazolen ausgewählt sein, insbesondere wenigstens eine Komponente aus der Gruppe von Polybenzimidazol, Poly(pyridine), Polybenzoxazole oder Mischungen davon ausgewählt sein. Es ist günstig, wenn zwischen 0,001 bis 0,06 Gew.%, insbesondere zwischen 0,001 bis 0,04 Gew.% des Polymer-Zusatzes bezogen auf 1 g Katalysatorpulver in der katalysatorhaltigen Schicht vorhanden sind. Vorzugsweise ist der Polymer-Zusatz Säure hydrophobisierend. Insbesondere wirkt der Polymer-Zusatz Säure fixierend.Preferably can the polymer additive of the catalyst-containing layer of the Selected group of polyazoles in particular at least one component from the group of Polybenzimidazole, poly (pyridines), polybenzoxazoles or mixtures selected from it be. It is cheap, though between 0.001 to 0.06 wt.%, In particular between 0.001 to 0.04 Wt.% Of the polymer additive based on 1 g of catalyst powder in the catalyst-containing layer are present. Preferably the polymer additive Hydrophobic acid. Especially the polymer additive acid acts fixing.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen der Gasdiffusionsschicht und der katalysatorhaltigen Schicht eine mikroporöse Schicht mit einem hydrophobisierenden Zusatz angeordnet. Günstigerweise sind bis zu 45 Gew.%, bevorzugt zwischen 20 und 40 Gew.% des Zusatzes in der mikroporösen Schicht vorhanden. Bevorzugt umfasst der hydrophobisierende Zusatz PTFE.In a particularly advantageous embodiment is between the gas diffusion layer and the catalyst-containing layer having a microporous layer arranged a hydrophobicizing additive. Conveniently, up to 45 % By weight, preferably between 20 and 40% by weight of the additive in the microporous layer available. The hydrophobizing additive preferably comprises PTFE.

Vorteilhaft bewirken die Zusätze zweifach so, dass Säure nicht aus der Brennstoffzellenmembran und/oder der Membran-Elektrodeneinheit ausgetragen wird. Der PTFE-Zusatz, bzw. ein ähnlich wirkender Zusatz, in der mikroporösen Schicht hält das Wasser in der Membran-Elektrodeneinheit bzw. aus der Brennstoffzellenmembran zurück. Der PBI-Zusatz, bzw. ein ähnlich wirkender Zusatz, wirkt als Säurespeicher, so dass jeweils kein Säure-Austrag stattfindet.Advantageous effect the additives twice so that acid not from the fuel cell membrane and / or the membrane electrode assembly is discharged. The PTFE additive, or a similar acting additive, in the microporous layer keeps the water in the membrane electrode unit or from the fuel cell membrane back. The PBI addition, or a similar acting additive, acts as acid storage, so that in each case no acid discharge takes place.

Die Erfindung lässt sich nicht nur für Brennstoffzellen, insbesondere für Hochtemperatur-Brennstoffzellen, sondern auch für Elektrolysezellen einsetzen, die vorzugsweise eine Membran aus einem basischen Polymer aus der Gruppe der Polyazole basierende Brennstoffzellenmembran, vorzugsweise überwiegend aus Polybenzimidazol, Poly(pyridine), Polybenzoxazole oder Mischungen davon und/oder mit anderen geeigneten Polymeren, aufweisen.The Invention leaves not only for Fuel cells, especially for High-temperature fuel cells, for .... As well Use electrolysis cells, preferably a membrane of a basic polymer from the group of the polyazole-based fuel cell membrane, preferably predominantly from polybenzimidazole, poly (pyridines), polybenzoxazoles or mixtures thereof and / or with other suitable polymers.

Weitere Ausbildungsformen und Aspekte der Erfindung werden unabhängig von einer Zusammenfassung in den Patentansprüchen ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigenFurther Embodiments and aspects of the invention will be independent of a summary in the claims without limitation of the Generality explained in more detail below with reference to a drawing. there demonstrate

1 eine schematische Darstellung einer aus einer Mehrzahl in einer Stapelrichtung angeordneten Brennstoffzellen gebildeten Brennstoffzelleneinheit mit einer Detailansicht einer Membran-Elektrodeneinheit; 1 a schematic representation of a fuel cell unit formed from a plurality of fuel cells arranged in a stacking direction with a detailed view of a membrane electrode assembly;

2 ein Detail einer bevorzugten Gasdiffusionsschicht. 2 a detail of a preferred gas diffusion layer.

1 zeigt zur Veranschaulichung eine bevorzugte Brennstoffzelleneinheit 10 mit einer Mehrzahl von einzelnen Brennstoffzellen, die in einer Stapelrichtung aufeinander folgend angeordnet sind. Trennmittel zwischen den einzelnen Brennstoffzellen, wie Bipolarplatten oder dergleichen, sind nicht dargestellt. Jede Brennstoffzelle umfasst einen Memb ran-Elektrodeneinheit 11 mit einer Brennstoffzellenmembran 12 auf Polymerbasis, die jeweils mit einer Säure getränkt ist. Die Brennstoffzellenmembran 12 ist zwischen zwei Gasdiffusionsschichten 15, 16 angeordnet. Bevorzugt ist die Brennstoffzellenmembran 12 aus einem Polyazol (PBI) gebildet. Zwischen den beiden Gasdiffusionsschichten 15, 16 und der Brennstoffzellenmembran 12 ist jeweils eine Schicht 14 bzw. 13 angeordnet, die so ausgebildet ist, dass sie ein Austreten des Flüssigelektrolyten aus der Brennstoffzellenmembran 12 erschwert. Die Gasdiffusionsschichten 15, 16 mit den Sperrschichten 14, 13 sind Bestandteil der Elektroden der Membran-Elektrodeneinheit 11. 1 shows by way of illustration a preferred fuel cell unit 10 with a plurality of individual fuel cells sequentially arranged in a stacking direction. Release agents between the individual fuel cells, such as bipolar plates or the like, are not shown. Each fuel cell comprises a membrane-electrode unit 11 with a fuel cell membrane 12 polymer-based, each impregnated with an acid. The fuel cell membrane 12 is between two gas diffusion layers 15 . 16 arranged. The fuel cell membrane is preferred 12 formed from a polyazole (PBI). Between the two gas diffusion layers 15 . 16 and the fuel cell membrane 12 is each a layer 14 respectively. 13 arranged to be formed so as to leak the liquid electrolyte from the fuel cell membrane 12 difficult. The gas diffusion layers 15 . 16 with the barrier layers 14 . 13 are part of the electrodes of the membrane-electrode unit 11 ,

2 zeigt ein Detail einer Gasdiffusionsschicht 15 mit einer an ihrer Außenfläche angeordneten ersten Schicht 14, die als katalytische Schicht ausgebildet ist und als Sperrschicht gegen einen Austrag des Flüssigelektrolyten der Brennstoffzellenmembran ausgebildet ist, und einer zwischen der ersten Schicht 14 und der Gasdiffusionsschicht 15 angeordneten zweiten Schicht 17, die mikroporös ausgebildet ist und ebenso eine Sperrschicht umfasst. So wirkt die Elektrode als Ganzes vorteilhaft als Sperrschicht. 2 shows a detail of a gas diffusion layer 15 with a first layer arranged on its outer surface 14 , which is formed as a catalytic layer and is formed as a barrier layer against a discharge of the liquid electrolyte of the fuel cell membrane, and one between the first layer 14 and the gas diffusion layer 15 arranged second layer 17 which is microporous and also comprises a barrier layer. So the electrode as a whole advantageously acts as a barrier layer.

Bei der Herstellung von Elektroden mit einer Katalysatorschicht für eine bevorzugte Brennstoffzellenelektrode mit einer Brennstoffzellenmembran auf der Basis von basischen Polymeren aus der Gruppe von Polyazolen, insbesondere für die Membranelektrodeneinheit 11 einer Brennstoffzelle, wird wenigstens ein vorzugsweise pulverförmiges Katalysatormaterial mit einem Lösungsmittel, einem porenbildenden Material und einer Polymerlösung versetzt und zu einer Elektrodenpaste in einen im Wesentlichen homogen gemischten Zustand verarbeitet.In the production of electrodes with a catalyst layer for a preferred fuel cell electrode with a fuel cell membrane based on basic polymers from the group of polyazoles, in particular for the membrane electrode unit 11 a fuel cell, at least one preferably powdered catalyst material is mixed with a solvent, a pore-forming material and a polymer solution and processed into an electrode paste in a substantially homogeneously mixed state.

Das Katalysatormaterial weist vorzugsweise einen kohlenstoffgeträgerten Edelmetallkatalysator, insbesondere Platin, auf. Es sind außer Platin auch andere Edelmetalle denkbar, beispielsweise Iridium oder Ruthenium. Die Auswahl des katalytischen Materials richtet sich nach der Art der herzustellenden Brennstoffzelle. Gegebenenfalls kann anodenseitig und kathodenseitig ein unterschiedliches Katalysatormaterial vorgesehen sein.The Catalyst material preferably comprises a carbon-supported noble metal catalyst, in particular Platinum, up. There are exceptions Platinum, other precious metals conceivable, such as iridium or Ruthenium. The selection of the catalytic material is directed according to the type of fuel cell to be produced. Possibly can anode side and cathode side, a different catalyst material be provided.

Auf die Gasdiffusionsschicht 15, 16 wird mittels Siebdruck die Schicht 14 aus der das Katalysatormaterial enthaltenden Elektrodenpaste aufgetragen. Die Eigenschaften der katalytischen Schicht 14 werden wesentlich durch die Zusammensetzung der Elektrodenpaste bestimmt.On the gas diffusion layer 15 . 16 is the screen by screen printing 14 from the electrode material containing the catalyst material applied. The properties of the catalytic layer 14 are essentially determined by the composition of the electrode paste.

Die Gasdiffusionsschicht 15, 16 besteht in der Regel aus einem tragenden Kohlenstoffgewebe, auf das in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zur Verbesserung der elektrischen Anbindung die mikroporöse Schicht 17 aufgebracht ist. Diese Schicht 17 besteht aus fein verteiltem Kohlenstoff, der durch ein Polymer, insbesondere Palytetrafluorethylen (PTFE), gebunden wird.The gas diffusion layer 15 . 16 usually consists of a supporting carbon fabric, on which in a preferred embodiment of the invention for improving the electrical connection, the microporous layer 17 is applied. This layer 17 consists of finely divided carbon, which is bound by a polymer, in particular palytetrafluoroethylene (PTFE).

Die PTFE-Menge in der mikroporösen Schicht 17 beträgt dabei vorzugsweise 20–40 Gew.%. Das tragende Kohlenstoffgewebe selbst kann durch die zusätzliche Behandlung mit PTFE hydrophobisiert werden. Hierbei liegt der Anteil an PTFE günstigerweise zwischen 3 und 30 Gew.%. Durch die spezielle Einbringung eines hydrophoben Materials kann der Wasserhaushalt der Membran-Elektrodeneinheit 11 gezielt beeinflusst werden. So kann durch eine bestimmte Anordnung der Polymerschichten in der Membran-Elektrodeneinheit 11 erreicht werden, dass das während der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser entweder im Bereich der Membran-Elektrodeneinheit 11 gespeichert bleibt, bzw. ohne in die Brennstoffzellenmembran 12 einzudringen, die Membran-Elektrodeneinheit 11 verlässt. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der in der Brennstoffzellenmembran 12 und der Dreiphasengrenze der Elektrode enthaltene Flüssigelektrolyt nur in geringem Maße durch das Produktwasser ausgetragen werden kann.The amount of PTFE in the microporous layer 17 is preferably 20-40 wt.%. The supporting carbon fabric itself can be hydrophobized by the additional treatment with PTFE. Here, the proportion of PTFE is favorably between 3 and 30 wt.%. Due to the special introduction of a hydrophobic material, the water balance of the membrane-electrode unit 11 be specifically influenced. Thus, by a certain arrangement of the polymer layers in the membrane electrode unit 11 be achieved that the product water formed during the fuel cell reaction either in the region of the membrane electrode unit 11 remains stored, or without in the fuel cell membrane 12 penetrate, the membrane-electrode unit 11 leaves. In this way it can be achieved that in the fuel cell membrane 12 and the three-phase boundary of the electrode contained liquid electrolyte can be discharged only to a small extent by the product water.

Besteht der zum Aufbau der Elektrode verwendete Binder aus einem basischen Polymer aus der Gruppe von Polyazolen, insbesondere Polybenzimidazol, Poly(pyridine), Polybenzoxazole oder Mischungen davon, so bewirkt deren hohe Bindungstendenz zu den gängigen Flüssigelektrolyten eine Speicherung des Flüssigelektrolyts im Bereich der Elektrode und schränkt deren Austrag in das Produktwasser bei niedrigen Betriebstemperaturen der Brennstoffzelleneinheit 10 weiter ein. Vorteilhaft liegt der Polymergehalt in der katalysatorhaltigen Elektrodenpaste zwischen 0,001 und 0,06 Gew.%, bezogen auf 1 g Katalysatorpulver, besonders bevorzugt zwischen 0,01 und 0,06 Gew.%.If the binder used for constructing the electrode consists of a basic polymer from the group of polyazoles, in particular polybenzimidazole, poly (pyridines), polybenzoxazoles or mixtures thereof, their high binding tendency to the common liquid electrolytes causes a storage of the liquid electrolyte in the region of the electrode and restricts it their discharge into the product water at low operating temperatures of the fuel cell unit 10 continue. Advantageously, the polymer content in the catalyst-containing electrode paste is between 0.001 and 0.06% by weight, based on 1 g of catalyst powder, more preferably between 0.01 and 0.06% by weight.

Mit der erfindungsgemäßen Membran-Elektrodeneinheit 11 basierend auf dem System PBI/H3PO4 kann ein zyklenweiser Betrieb zwischen Raumtemperatur und 160°C einer derartigen Brennstoffzelle über mehrere hundert Stunden erreicht werden, ohne dass ein Leistungsverlust des Systems beobachtet wird.With the membrane electrode unit according to the invention 11 Based on the PBI / H 3 PO 4 system , cyclic operation between room temperature and 160 ° C. of such a fuel cell can be achieved over several hundred hours without any loss of performance of the system being observed.

1010
Brennstoffzelleneinheitfuel cell unit
1111
MEAMEA
1212
Brennstoffzellenmembranfuel cell membrane
1313
Sperrschichtjunction
1414
Sperrschichtjunction
1515
GasdiffusionsschichtGas diffusion layer
1616
GasdiffusionsschichtGas diffusion layer
1717
mikroporöse Schichtmicroporous layer

Claims (8)

Membran-Elektrodeneinheit mit einer Brennstoffzellenmembran (12), die zwischen zwei Gasdiffusionsschichten (15, 16) angeordnet ist, wobei die Brennstoffzellenmembran (12) auf der Basis eines säuregetränkten Polymers gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Brennstoffzellenmembran (12) und den Gasdiffusionsschichten (15, 16) jeweils wenigstens eine katalysatorhaltige Schicht (14) mit einem Polymer-Zusatz so angeordnet ist, dass Wasser in der Membran-Elektrodeneinheit und/oder der Brennstoffzellenmembran (12) gehalten wird und/oder Säure gespeichert wird.Membrane electrode unit with a fuel cell membrane ( 12 ) sandwiched between two gas diffusion layers ( 15 . 16 ), wherein the fuel cell membrane ( 12 ) is formed on the basis of an acid-impregnated polymer, characterized in that between the fuel cell membrane ( 12 ) and the gas diffusion layers ( 15 . 16 ) at least one catalyst-containing layer ( 14 ) is arranged with a polymer additive so that water in the membrane electrode assembly and / or the fuel cell membrane ( 12 ) and / or acid is stored. Membran-Elektrodeneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymer-Zusatz der katalysatorhaltigen Schicht aus der Gruppe von Polyazolen ausgewählt ist.Membrane electrode unit according to claim 1, characterized in that the polymer additive of the catalyst-containing Layer is selected from the group of polyazoles. Membran-Elektrodeneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Komponente aus der Gruppe von Polybenzimidazol, Polly(pyridine), Polybenzoxazole oder Mischungen davon ausgewählt ist.Membrane electrode unit according to claim 2, characterized in that at least one component from the group of polybenzimidazole, Polly (pyridine), polybenzoxazoles or mixtures thereof is selected. Membran-Elektrodeneinheit nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymer-Zusatz hydrophobisierend und/oder Säure fixierend ist.Membrane electrode unit according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the polymer additive is hydrophobicizing and / or Fixing acid is. Membran-Elektrodeneinheit nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 0,001 und 0,06 Gew.%, insbesondere zwischen 0,001 und 0,04 Gew.%, des Polymer-Zusatzes bezogen auf 1 g Katalysatorpulver in der katalysatorhaltigen Schicht (14) vorhanden sind.Membrane electrode unit according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that between 0.001 and 0.06 wt.%, In particular between 0.001 and 0.04 wt.%, Of the polymer additive based on 1 g of catalyst powder in the catalyst-containing layer ( 14 ) available. Membran-Elektrodeneinheit nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Gasdiffusionsschicht (15, 16) und der katalysatorhaltigen Schicht (14) eine mikroporöse Schicht (17) mit einem hydrophobisierenden Zusatz angeordnet ist.Membrane electrode unit according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that between the gas diffusion layer ( 15 . 16 ) and the catalyst-containing layer ( 14 ) a microporous layer ( 17 ) is arranged with a hydrophobizing additive. Membran-Elektrodeneinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der mikroporösen Schicht (17) bis zu 45 Gew.% des Zusatzes vorhanden sind.Membrane electrode unit according to claim 6, characterized in that in the microporous layer ( 17 ) up to 45% by weight of the additive are present. Membran-Elektrodeneinheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatz PTFE ist.Membrane electrode unit according to claim 6 or 7, characterized in that the additive is PTFE.
DE102004063457A 2004-12-23 2004-12-23 Membrane electrode unit for fuel cell, has catalyst containing layer arranged with polymer-intermixture between fuel cell membrane and gas diffusion layers in such a manner that water is stored and kept in electrode unit and/or membrane Withdrawn DE102004063457A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004063457A DE102004063457A1 (en) 2004-12-23 2004-12-23 Membrane electrode unit for fuel cell, has catalyst containing layer arranged with polymer-intermixture between fuel cell membrane and gas diffusion layers in such a manner that water is stored and kept in electrode unit and/or membrane

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004063457A DE102004063457A1 (en) 2004-12-23 2004-12-23 Membrane electrode unit for fuel cell, has catalyst containing layer arranged with polymer-intermixture between fuel cell membrane and gas diffusion layers in such a manner that water is stored and kept in electrode unit and/or membrane

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102004063457A1 true DE102004063457A1 (en) 2006-07-06

Family

ID=36590610

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102004063457A Withdrawn DE102004063457A1 (en) 2004-12-23 2004-12-23 Membrane electrode unit for fuel cell, has catalyst containing layer arranged with polymer-intermixture between fuel cell membrane and gas diffusion layers in such a manner that water is stored and kept in electrode unit and/or membrane

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102004063457A1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007031280A1 (en) * 2007-07-05 2009-01-08 Volkswagen Ag Gas diffusion electrode with membrane-electrode-unit for high temperature fuel cells based on membrane for traction system, has gas diffusion layer and catalyst layer is impregnated with another electrolyte and has hydrophobic material
WO2011003884A1 (en) 2009-07-07 2011-01-13 Basf Se Ink comprising polymer particles, electrode, and mea
DE102009028308A1 (en) 2009-08-06 2011-02-10 Volkswagen Ag Membrane electrode unit, useful in fuel cell, comprises a polymer electrolyte membrane made of a polymer, two electrodes sandwiching polymer electrolyte membrane, an electrolyte wetting polymer electrolyte membrane and silicate derivative
US9095845B2 (en) 2010-10-21 2015-08-04 Basf Se Catalyst support material comprising polyazole salt, electrochemical catalyst, and the preparation of a gas diffusion electrode and a membrane-electrode assembly therefrom
US9162220B2 (en) 2010-10-21 2015-10-20 Basf Se Catalyst support material comprising polyazole, electrochemical catalyst, and the preparation of a gas diffusion electrode and a membrane-electrode assembly therefrom
WO2025252521A1 (en) * 2024-06-03 2025-12-11 Ionysis Gmbh Polymer electrolyte membrane fuel cell, method for producing a diffusion layer, diffusion layer and use of a diffusion layer

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10159476A1 (en) * 2001-12-04 2003-07-17 Omg Ag & Co Kg Process for the manufacture of membrane electrode assemblies for fuel cells
DE10246372A1 (en) * 2002-10-04 2004-04-15 Celanese Ventures Gmbh Catalyst-coated polymer electrolyte membrane for use, e.g. in fuel cells, obtained by processing a mixture of polyphosphoric acid and polyazole to form a self-supporting membrane which is then coated with catalyst
DE10242708A1 (en) * 2002-09-13 2004-05-19 Celanese Ventures Gmbh Proton-conducting membranes and their use

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10159476A1 (en) * 2001-12-04 2003-07-17 Omg Ag & Co Kg Process for the manufacture of membrane electrode assemblies for fuel cells
DE10242708A1 (en) * 2002-09-13 2004-05-19 Celanese Ventures Gmbh Proton-conducting membranes and their use
DE10246372A1 (en) * 2002-10-04 2004-04-15 Celanese Ventures Gmbh Catalyst-coated polymer electrolyte membrane for use, e.g. in fuel cells, obtained by processing a mixture of polyphosphoric acid and polyazole to form a self-supporting membrane which is then coated with catalyst

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007031280A1 (en) * 2007-07-05 2009-01-08 Volkswagen Ag Gas diffusion electrode with membrane-electrode-unit for high temperature fuel cells based on membrane for traction system, has gas diffusion layer and catalyst layer is impregnated with another electrolyte and has hydrophobic material
WO2011003884A1 (en) 2009-07-07 2011-01-13 Basf Se Ink comprising polymer particles, electrode, and mea
DE102009028308A1 (en) 2009-08-06 2011-02-10 Volkswagen Ag Membrane electrode unit, useful in fuel cell, comprises a polymer electrolyte membrane made of a polymer, two electrodes sandwiching polymer electrolyte membrane, an electrolyte wetting polymer electrolyte membrane and silicate derivative
US9095845B2 (en) 2010-10-21 2015-08-04 Basf Se Catalyst support material comprising polyazole salt, electrochemical catalyst, and the preparation of a gas diffusion electrode and a membrane-electrode assembly therefrom
US9162220B2 (en) 2010-10-21 2015-10-20 Basf Se Catalyst support material comprising polyazole, electrochemical catalyst, and the preparation of a gas diffusion electrode and a membrane-electrode assembly therefrom
WO2025252521A1 (en) * 2024-06-03 2025-12-11 Ionysis Gmbh Polymer electrolyte membrane fuel cell, method for producing a diffusion layer, diffusion layer and use of a diffusion layer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102010004054B4 (en) Method for forming a membrane electrode arrangement
DE102008046403B4 (en) Electrodes containing oxygen evolution reaction catalysts
DE102013205284B4 (en) Electrode arrangement with an integrated reinforcement layer
DE112015002354T5 (en) MEMBRANE ELECTRODE ARRANGEMENT
DE112006001729B4 (en) A voltage change resistant fuel cell electrocatalyst layer, fuel cell comprising the same and using the same
DE102020209663A1 (en) fuel cell unit
DE102008038202A1 (en) PEM fuel cell with improved water management
DE112004000511T5 (en) MEA with catalyst for the oxidation of carbon monoxide
DE112004001685B4 (en) Device with a membrane electrode assembly and method for producing a membrane electrode assembly
DE10221397A1 (en) Manufacturing method of a fuel cell electrode and a fuel cell thereof
DE112005002678T5 (en) Shared architectures for MEA durability
EP1601037A1 (en) Membrane electrode assembly for direct methanol fuel cells (DMFC)
DE102004063457A1 (en) Membrane electrode unit for fuel cell, has catalyst containing layer arranged with polymer-intermixture between fuel cell membrane and gas diffusion layers in such a manner that water is stored and kept in electrode unit and/or membrane
WO2022175020A1 (en) Method for producing catalyst layers for fuel cells
DE102004024844A1 (en) Electrode paste for producing a catalyst layer for an electrochemical cell and method for producing a catalyst layer
DE102009004050A1 (en) Microporous layer assembly and method of making the same
EP1084517A1 (en) Method for producing an electrode and an electrode for a fuel cell
DE102019215200A1 (en) Fuel cell unit
DE102020102692A1 (en) Method for operating a fuel cell system as well as a fuel cell system and a motor vehicle with a fuel cell system
DE102023205612A1 (en) Electrochemical cell with electrocatalyst bilayer structure comprising graphene-based material
EP4004999B1 (en) Membrane electrode assembly and fuel cell
DE102010063254A1 (en) Membrane electrode assembly with two cover layers
DE102022202195A1 (en) Electrochemical Cell Unit
DE112006003028B4 (en) Method of operating a fuel cell stack and product having a polyelectrolyte membrane
DE102020206904A1 (en) Fuel cell unit

Legal Events

Date Code Title Description
OM8 Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law
8181 Inventor (new situation)

Inventor name: HUEBNER, GEROLD, DR., 38104 BRAUNSCHWEIG, DE

Inventor name: JACKSCH, CHRISTIANE, DR., 30880 LAATZEN, DE

R012 Request for examination validly filed
R012 Request for examination validly filed

Effective date: 20110629

R082 Change of representative
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20130702