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DE102007048872B4 - Additive für Brennstoffzellenschichten - Google Patents

Additive für Brennstoffzellenschichten

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DE102007048872B4
DE102007048872B4 DE102007048872.8A DE102007048872A DE102007048872B4 DE 102007048872 B4 DE102007048872 B4 DE 102007048872B4 DE 102007048872 A DE102007048872 A DE 102007048872A DE 102007048872 B4 DE102007048872 B4 DE 102007048872B4
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fuel cell
layer
additive
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ionomer
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Timothy J. Fuller
Michael R. Schoeneweiss
Tao Xie
Frank Coms
Sean M. MacKinnon
Gerald W. Fly
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GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
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Publication date
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Abstract

Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil umfassend:
eine Polyelektrolytmembran, welche ein Ionomer sowie ein Additiv enthält, wobei das Additiv wenigstens eines von PtO2, CoO oder Co2O3 enthält, und, wobei die Membran eine erste Schicht sowie eine zweite Schicht oberhalb der ersten Schicht und eine dritte Schicht unterhalb der ersten Schicht enthält, wobei die erste Schicht ein zentrales Teilstück definiert, welches frei von dem Additiv ist, und wobei die zweite und die dritte Schicht das Additiv enthalten.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Das technische Gebiet, auf welches sich die Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen allgemein bezieht, schließt Brennstoffzellen und Brennstoffzellenbauteile umfassend eine Ionomerschicht, eine Membran, einen Katalysator und ein Substrat sowie Verfahren zur Herstellung und zur Verwendung derselben ein.
  • HINTERGRUND
  • Feste Polyelektrolytmembranen und Elektroden verwendende Brennstoffzellen sind bekannt. Fachleute arbeiten kontinuierlich an Verbesserungen und Alternativen für bestehende Brennstoffzellen, Brennstoffzellenbauteile sowie Verfahren zur Herstellung und zur Verwendung derselben.
  • Die DE 697 17 674 T2 offenbart eine mikroporöse Membran, wobei ein Metalloxid die innere Oberfläche der Poren der Membran bedecken kann. In der US 2005/0136308 A1 wird eine Ionenaustauschmembran für eine Brennstoffzelle offenbart. Ein Additiv kann in der Membran dispergiert oder als separate Schicht auf ihrer Oberfläche aufgetragen sein. Aus der US 2004/0043283 A1 ist ein Membranelektrodenaufbau mit einer Anode, einer Kathode und einer Protonenaustauschmembran bekannt. In dem Membranelektrodenaufbau ist ein Peroxidzersetzungskatalysator vorhanden, der an einer oder mehreren Stellen in Anode, Kathode oder Membran sowie in einer Schicht zwischen Anode und Membran, Kathode und Membran platziert sein kann. Die DE 101 30 828 A1 offenbart eine Brennstoffzelle, die mindestens ein Additiv aufweist, das die Bildung von Peroxiden verhindert oder diese zersetzt. Die US 2006/0046120 A1 offenbart eine Brennstoffzelle mit einer Ionomermembran und einem Bestandteil, der Peroxid entschärfen kann. Dieser Bestandteil kann ein Metalloxid, wie Ceroxidpartikel mit Mikrometer- oder Nanometergröße, sein. Die DE 694 25 196 T2 offenbart eine elektrochemische Zelle, die eine polymere Feststoff-Elektrolytzusammensetzung enthält. Diese enthält zur Feuchtigkeitskontrolle Partikel oder Fasern wenigstens eines Metalloxids. Die JP H 10-55807 A beschreibt Brennstoffzellenelektroden, die einen Katalysator, ein Kationenaustauscher-Harz und Vanadiumoxid oder einen Ceroxid-Zirkoniumoxid-Komplex als Co-Katalysator enthalten
  • ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Eine Brennstoffzelle oder ein Brennstoffzellenbauteil umfasst eine Polyelektrolytmembran, welche ein Ionomer sowie ein Additiv enthält, wobei das Additiv wenigstens eines von PtO2, CoO oder Co2O3 enthält, und, wobei die Membran eine erste Schicht sowie eine zweite Schicht oberhalb der ersten Schicht und eine dritte Schicht unterhalb der ersten Schicht enthält, wobei die erste Schicht ein zentrales Teilstück definiert, welches frei von dem Additiv ist, und wobei die zweite und die dritte Schicht das Additiv enthalten.
  • Andere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden kurzen Beschreibung der Zeichnungen, aus der detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen sowie aus den beigefügten Patentansprüchen und Zeichnungen offensichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen vollständiger verstanden werden, wobei:
    • 1 ein Brennstoffzellenbauteil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
    • 2 ein Brennstoffzellenbauteil gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
    • 3 ein Brennstoffzellenbauteil gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
    • 4 ein Brennstoffzellenbauteil gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung illustriert.
    • 5 ein Brennstoffzellenbauteil gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die nachfolgende Beschreibung der folgenden Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und ist in keiner Weise dazu beabsichtigt, die beanspruchte Erfindung, deren Anwendung oder Verwendungen zu limitieren.
  • Nunmehr auf die 1 Bezug nehmend umfasst eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensubstrat 10, welches ein Ionomer sowie ein Additiv enthält. Das Substrat 10 kann eine Membran oder eine Elektrode sein. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbessert das Additiv die Zellleistung, die Membranlebensdauer und/oder die Protonenleitung. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Additiv ein Oxid von wenigstens einem von Ce, Mn, V, Pt, Ru, Zr, Ni, Cr, W, Co, Mo oder Sn oder Derivaten hiervon. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Additiv ein Metalloxid, einschließlich, aber nicht beschränkt auf MnO2, CeO2, PtO2, RuO2, VO, VO2, V2O3, V2O5, CeO2, CoO, Co2O3, NiO2, CrO2, WO3, SnO2, MoO3, MoO2, Mn2O3 und/oder Derivate hiervon, einschließlich, aber nicht beschränkt auf tertiäre und/oder quaternäre Verbindungen. In einer Ausführungsform umfasst das Additiv Nanopartikel von Cer-(IV)-oxid (CeO2), CeZrO4 oder Ce1-xZrxO2, worin x kleiner als 1 ist. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Additiv eine Mischung von Metalloxiden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf CeO2 und MnO2 (bevorzugt), CeO2 und CoO; CeO2 und Co2O3; CeO2 und VO; CeO2 und VO2; CeO2 und V2O3; CeO2 und V2O5; CeO2, NiO2 oder CrO2 in Mischung mit wenigstens einem von CeO2, MoO3, MoO2, MnO2, Mn2O3, RuO2, WO3, PtO2 oder SnO2. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Additiv Nanopartikel enthalten. Das heißt, Partikel mit wenigstens einer Dimension, welche kleiner als 200 nm ist. Es ist herausgefunden worden, dass die Verwendung von Nanopartikeln die Leistungsfähigkeit der Membranaufbauten verglichen mit Aufbauten unter Verwendung von Makropartikeln verbessert.
  • Das Ionomer kann ein Polymermakromolekül sein, von dem ein Teil seiner Bestandteileinheiten ionisierbare oder ionische Gruppen oder beide aufweist. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Ionomer Polymermoleküle mit Kohlenstoff-Fluor-Rückgratketten mit Sulfonsäuregruppen enthaltenden Perfluorseitenketten (auch bekannt als Perfluorsulfonsäurepolymere). Solche Ionomere sind von E. I. DuPont de Nemours & Company unter der Handelsbezeichnung NAFION® erhältlich. Andere solche Ionomere sind von Asahi Glass & Asahi Chemical Company erhältlich. In alternativen Ausführungsformen kann das Ionomer perfluorierte Kationaustauschpolymere, auf Kohlenwasserstoff basierende Kationaustauschionomere sowie Anionaustauschionomere enthalten. In anderen alternativen Ausführungsformen umfasst das Ionomer sulfonierte Kohlenwasserstoffpolymere einschließlich aromatische und nicht aromatische Sulfonsäurepolymere, einschließlich sulfonierte Polysulfone, sulfoniertes Polyetheretherketon, sulfonierte Polyarylenetherketone, sulfonierte Polyarylenthioetherketone, sulfonierte Polyarylenethersulfone, sulfonierte Polyarylenthioethersulfone, sulfonierte Polybenzimidazole, sulfonierte Polyimide, sulfonierte Polyphenylene oder sulfonierte Polyphenylensulfide.
  • In verschiedenen illustrativen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das Additiv in einer Menge von wenigstens 0,1 Gewichtsprozent (Gew.-%), ungefähr 1 bis ungefähr 20 Gew.-%, ungefähr 5 bis ungefähr 15 Gew.-% oder ungefähr 8 bis ungefähr 12 Gew.-% des getrockneten Ionomers vorliegen. Das Additiv kann in größeren Mengen vorliegen; allerdings kann eine zu hohe Oxidbeladung in der Membran zu spröden Membranen führen, welche leichter voneinander getrennt werden können. Das Additiv kann mit dem Ionomer in nasser Form, einschließlich Wasser und Alkohol, vermischt sein. In der nassen Phase der Mischung kann das Wasser in ungefähr 40 bis ungefähr 60 Gew.-% und das Alkohol in ungefähr 40 bis ungefähr 60 Gew.-% vorliegen. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird das Additiv in die Mischung mit einer Metalloxidreinheit in einem Bereich zwischen ungefähr 90 und 100 Prozent oder zwischen ungefähr 99,99 und 100 Prozent eingeführt. Beispielsweise enthält das Metalloxid für ein Additiv, das MnO2 mit einem Metalloxidreinheitsgrad in einem Bereich zwischen 90 und 100 Prozent Reinheit enthält, 90 bis 100 Gew.-% MnO2 und 0 bis 10 Gew.-% Verunreinigungen, wie beispielsweise Verunreinigungen, welche typischerweise in Mn-Erz oder bei der Herstellung von MnO2 gefunden werden. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das das Ionomer und Additiv enthaltende Substrat eine Dicke, in dem getrockneten Zustand, von weniger als 100 Mikrometern, zwischen ungefähr 5 und 50 Mikrometern und zwischen ungefähr 10 und 40 Mikrometern oder Dicken dazwischen aufweisen. Wenn MnO2 mit Partikeldimensionen von weniger als 5 Mikrometern und mit einer Reinheit von 85 Prozent zu einer 20 Gew.-% Nafion 1000 (DE 2020)-Dispersion in 1-Propanol-Wasser (erhältlich von E. I. DuPont de Nemours and Company) zugegeben wurde, aggregierte das Ionomer nach 1 Stunde und die Dispersion war nicht mehr länger beschichtbar. Deswegen musste eine Dispersion von 85 Gew.-% MnO2 in Nafion 1000 (bei 10 Gew.-% Beladung MnO2 pro Ionomerfeststoffen) innerhalb von 1 Stunde zu Filmen beschichtet werden. Dies tritt nicht mit hochreinem MnO2 auf. Nunmehr Bezug nehmend auf die 2 kann das Substrat 10 in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine erste Schicht 12, eine zweite Schicht 14, welche über der ersten Schicht 12 liegt, sowie eine dritte Schicht 16, welche unter der ersten Schicht 12 liegt, umfassen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die erste Schicht 12 ein Ionomer, aber ohne jegliches Metalloxid. Die zweite Schicht 14 und die dritte Schicht 16 enthalten jeweils ein Ionomer und ein Additiv, wie beispielsweise ein Metalloxid. Jede der ersten Schicht 12, der zweiten Schicht 14 und der dritten Schicht 16 kann eine Dicke, in dem getrockneten Zustand, in einem Bereich zwischen 5 und 50 Mikrometern, zwischen 5 und 35 Mikrometern, zwischen 10 und 35 Mikrometern oder Dicken dazwischen aufweisen. Eine Kathodenkatalysatorschicht kann über der ersten Schicht 12 liegen und eine Anodenkatalysatorschicht kann unter der dritten Schicht 16 liegen, wobei sowohl die zweite als auch die dritte Schicht 14 und 16 ein Additiv darin enthalten, welche dieselben sind oder voneinander unterschiedlich sein können.
  • Nunmehr Bezug nehmend auf die 3 wird gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine feste Polyelektrolytmembran 102 bereitgestellt, welche im Wesentlichen frei von Metalloxiden ist. Es ist eine erste Katalysatorschicht 18, welche über der Membran liegt, vorgesehen und es ist eine zweite Katalysatorschicht 18' vorgesehen, welche unterhalb der Membran 102 liegt. Wenigstens eine der ersten Katalysatorschicht 18 oder der zweiten Katalysatorschicht 18' enthält ein Additiv, wie beispielsweise ein Metalloxid, welches in einer Menge von wenigstens einem Gewichtprozent des getrockneten Ionomers in der Katalysatorschicht 18 oder 18' vorliegt. Die Additive in den Schichten 18 und 18' können dieselben sein oder können voneinander unterschiedlich sein.
  • Nunmehr Bezug nehmend auf die 4 kann eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Substrat 10 in Form einer Zweischichtmembran umfassen, welche ein erstes Teilstück 12 sowie ein zweites Teilstück 14 aufweist. Eine erste Katalysatorschicht (beispielsweise eine Anode) kann oberhalb der Membran 10 liegen und eine zweite Katalysatorschicht 18' kann unterhalb der Membran liegen. Das erste Teilstück 12 kann ein erstes Additiv, wie beispielsweise ein erstes Metalloxid, enthalten und das zweite Teilstück 14 kann ein zweites Additiv, wie beispielsweise ein zweites Metalloxid, enthalten. Das erste Additiv kann ein Metalloxid enthalten, welches von dem Metalloxid des zweiten Additivs unterschiedlich ist. Beispielsweise kann das erste Teilstück 12 (benachbart zu der Kathode 18') MnO2 enthalten und kann das zweite Teilstück 14 (benachbart zu der Anode 18) CeO2 enthalten. In einer anderen Ausführungsform kann wenigstens eine der Katalysatorschichten 18, 18' das erste Additiv enthalten und kann wenigstens ein Teilstück der Membran 10 das zweite Additiv enthalten, wobei die Membran 10 aus einer einzigen Schicht oder aus mehreren Schichten hergestellt sein kann. Beispielsweise kann die Anodenschicht 18 CeO2 enthalten und kann das erste Teilstück 12 (benachbart zu der Kathode) der Membran 10 MnO2 enthalten, wobei das zweite Teilstück 14 der Membran 10 sowie die Kathode 18' ein Metalloxid-Additiv enthalten können oder nicht enthalten können.
  • Nunmehr Bezug nehmend auf die 5 umfasst eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Produkt, welches ein Brennstoffzellensubstrat 10 enthält, welches als eine Protonenaustauschmembran fungiert. Das Substrat 10 umfasst eine erste Schicht 12, welche ein Ionomer ohne ein Metalloxid enthält. Eine zweite Schicht 14 ist oberhalb der ersten Schicht 12 vorgesehen und eine dritte Schicht 16 ist unterhalb der ersten Schicht 12 vorgesehen. Jede der zweiten Schicht 14 und der dritten Schicht 16 enthält ein Ionomer und ein Additiv, wie beispielsweise ein Metalloxid oder eine Mischung von Metalloxiden. Als solches enthält das Substrat 10, in diesem Fall eine Polyelektrolytmembran, ein zentrales Teilstück, welches frei von Metalloxid-Additiv ist. Eine erste Katalysatorschicht 18 ist oberhalb der zweiten Schicht 14 des Substrats 10 vorgesehen. Ein erstes Gasdiffusionsmediensubstrat 22 kann über der ersten Katalysatorschicht 18 vorgesehen sein und optional kann eine mikroporöse Schicht 20 zwischen dem Diffusionsmediensubstrat 22 und der ersten Katalysatorschicht 18 eingeschoben sein. Das Diffusionsmediensubstrat 22 kann ein Kohlepapiersubstrat enthalten, ist aber nicht darauf beschränkt. Die mikroporöse Schicht 20 kann auf dem Diffusionsmediensubstrat 22 aus einer Mischung aus Kohlenstoff und Fluorpolymer, wie beispielsweise FEP, PVDF, HFP, PTFE etc., beschichtet werden. Die erste Katalysatorschicht 18 enthält vorzugsweise eine Gruppe von fein verteilten Katalysatorträgerpartikeln, wie beispielsweise Kohlenstoff, welche fein verteilte Katalysatorpartikel sowie ein ionenleitfähiges Material, welches mit dem Träger und den Katalysatorpartikeln vermischt ist, tragen. Das ionenleitfähige Material in der ersten Katalysatorschicht 18 kann ein Ionomer sein, wie beispielsweise ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer. Katalysatormaterialien können enthalten, sind aber nicht beschränkt auf Metalle, wie beispielsweise Platin, Palladium, und Mischungen von Metallen, wie beispielsweise Platin und Molybdän, Platin und Kobalt, Platin und Ruthenium, Platin und Nickel sowie Platin und Zinn, oder PlatinÜbergangsmetall-Legierungen. Es kann eine erste bipolare Platte 24 mit Gasströmungsfeldkanälen 28 und Anschlussflächen 26, welche an einer Fläche ausgebildet sind, sowie mit Kühlungskanälen 30, welche an einer anderen Fläche ausgebildet sind, vorgesehen sein. Gleichermaßen können eine zweite Katalysatorschicht 18', eine zweite mikroporöse Schicht 20', ein zweites Gasdiffusionsmediensubstrat 22' sowie eine zweite bipolare Platte 24' an gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffzellensubstrats 10 in einer ähnlichen Weise vorgesehen sein, um einen Brennstoffzellenaufbau 50 zu bilden.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Aufschlämmung, welche ein Ionomer, ein Additiv sowie ein Lösemittel enthält, hergestellt. Das Lösemittel kann wenigstens eines von 1-Propanol, Ethanol, 1-Butanol, Methanol oder Wasser enthalten. Die Aufschlämmung kann beispielsweise unter Verwendung von Glaskugeln gemahlen werden und daran anschließend beispielsweise unter Verwendung eines Siebs mit Öffnungen von weniger als 90 Mikrometern darin, filtriert werden. Die filtrierter Aufschlämmung kann als eine einzelne Schicht gegossen und getrocknet werden oder kann als mehrere Schichten gegossen und getrocknet werden, um in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Mehrschichtmembran auszubilden, worin wenigstens eine der Schichten das Additiv enthält.
  • Andere Verfahren als Kugelmahlen können eingesetzt werden, um die Metalloxidionomerdispersionen zu bilden. Andere bekannte Nassmischverfahren und Schmelzverfahren können eingesetzt werden, einschließlich: Rührwerkskugelmühlen, Homogenisiereinrichtungen, Mischer, Polytronköpfe, Schmelzextruder, Banbury-Walzenmühlen und andere, wie beispielsweise Vermischanlagen, können eingesetzt werden. Illustrative Beispiele zum Herstellen von Membranen werden ebenfalls in den nachstehenden Beispielen 8 und 9 beschrieben.
  • Es wurde ein Brennstoffzellentest für Membranelektrodenaufbauten unter Verwendung eines Katalysator beschichteten Diffusionsmediums sowie einer NAFION (N1000)-Membran sowie eines Additivs, welches ein Oxid von Mo6+, V5+, V3+, Cr/Zr alleine oder mit Cer-(IV)-oxid vermischt enthielt, durchgeführt und es wurde herausgefunden, dass die Membranaufbauten unter jeder Bedingung liefen. Die Bedingungen, für welche diese Membranen mit Katalysator beschichteten Diffusionsmedien untersucht wurden, waren wie folgt: Membranen wurden in Brennstoffzellen überprüft und die Leistungsfähigkeit wurde in Polarisationskurven zusammengefasst, wobei die Zellspannung (in Volt) gegen die Stromdichte (in A/cm2) unter den nachfolgenden Bedingungen aufgetragen wurde: 150 % relative Feuchtigkeit (R.H.) außen: 2/2 (A/C) stöch.; 100/50 % (A/C) Einlass-R.H.; 80 °C; 170 kPa Druck; 110 % relative Feuchtigkeit (R.H.) außen: 2/2 (A/C) stöch.; 100/50 % (A/C) Einlass-R.H.; 80 °C; 50 kPa Druck; 85 % relative Feuchtigkeit (R.H). außen: 3/3 (A/C) stöch.; 50/50 % (A/C) Einlass-R.H.; 80 °C; 75 kPa Druck; 80 % relative Feuchtigkeit (R.H.) außen: 2/2 (A/C) stöch.; 35/35 % (A/C) Einlass-R.H.; 80 °C; 50 kPa Druck; 63 % relative Feuchtigkeit (R.H.) außen: 3/3(A/C) stöch.; 32/32 % (A/C) Einlass-R.H.; 80 °C; 50 kPa Druck; wobei (A/C) Anode/Kathode bezeichnet. Wenn Polarisationskurven erhalten wurden, bei denen die Stromdichte bis zu 1,2 A/cm2 mit sinnvoller Spannung (gewöhnlicherweise mehr als 0,4 V) lief, wurden die Membranen als „unter jeder Bedingung laufend“ bezeichnet.
  • Wenn die Begriffe „über“, „überlagern“, „darüber liegend“ oder „unterhalb“, „darunter liegend“, „unterliegend“ hier mit Bezug zu der relativen Position eines Bauteils oder einer Schicht bezogen auf ein zweites Bauteil oder eine zweite Schicht verwendet werden, soll dies bedeuten, dass sich das erste Bauteil oder die erste Schicht in direktem Kontakt mit dem zweiten Bauteil oder der zweiten Schicht befindet oder dass zusätzliche Schichten oder Bauteile zwischen dem ersten Bauteil oder der ersten Schicht und dem zweiten Bauteil oder der zweiten Schicht gelagert sein können.
  • BEISPIELE
  • VERGLEICHSBEISPIEL 1. Als eine Kontrollprobe wurde eine Nafion®-Lösung DE2020 mit 20 Gew.-% Polymerfeststoffen Nafion®-PFSA-Polymer mit 1000 Äquivalentgewicht in 40 Gew.-% wässrigem 1-Propanol (erhältlich von E.I. DuPont de Nemours, Co.) auf eine Glasplatte mit einem Bird-Applikator mit 76,2 µm Abstand gegossen und dann wurde die beschichtete Glasplatte bei 80 °C für 30 Minuten im Ofen getrocknet. Eine zweite Beschichtung wurde auf den ersten Film mit dem Bird-Applikator mit 76,2 µm Abstand aufgebracht und die polymerbeschichtete Glasplatte wurde für 16 Stunden bei 120 °C erhitzt. Die beschichtete Glasplatte wurde nach dem Abkühlen auf 25 °C in ein deionisiertes Wasserbad eingetaucht, bis sich der Polymerfilm von dem Glas ablöste. Dem Polymerfilm wurde erlaubt, auf einem Papiertuch luftzutrocknen und der resultierende trockene Film wies eine Dicke von 25 Mikrometern auf. Der Polymerfilm wurde in Quadrate mit 101,6 mm mal 101,6 mm geschnitten und wurde in eine Brennstoffzelle (50 cm2 Hardware) mit Katalysator beschichteten Diffusionsmedien zusammengebaut. Die Leistungsfähigkeit wurde unter trockenen, nassen und dazwischen liegenden Bedingungen gemessen. Ein Lebensdauertest wurde unter einem beschleunigten 5 Minuten Nass-, 5 Minuten Trocken-Protokoll durchgeführt und die Lebensdauer der Membran betrug 392 Stunden, bevor ein 40 cm3 Kreuzleck detektiert wurde. Die Fluoridfreisetzung während des Tests betrug 10-5 g F- pro cm2 Membranfläche pro Stunde. Eine Platinlinie bildete sich an der Kathodenseite, wo sich das Platin von der Katalysatorschicht gelöst hatte und in die Membran diffundiert war, wo die Platinionen dann vermutlich durch diffundierendes Wasserstoffgas von der Anode reduziert wurden.
  • BEISPIEL 2, NAFIONMEMBRAN MIT MnO2. Die Reinheit des von Aldrich erhältlichen, eingesetzten MnO2 betrug 99,99+ %. Wenn Proben hergestellt wurden, in denen der MnO2-Reinheitsgrad lediglich 85 % betrug, litt die Brennstoffzellenleistung verglichen mit der Kontrollmembran, welche aus Nafion® 1000 alleine bestand, ohne Additiv beträchtlich. Reiner MnO2-Feststoff (0,5 g, Aldrich) wurde zu einer Nafion®-Lösung DE2020 mit 20 Gew.-% Polymerfeststoffen Nafion® PFSA-Polymer, welche 1.000 Äquivalentgewicht Ionomer in 40 Gew.-% wässrigem 1-Propanol (erhältlich von E. I. DuPont de Nemours, Co.) war, zu einer 118,29 cm3 (4 Unzen) Glasflasche zugegeben und dann wurde mahlendes Medium mit 5 mm Glaskugeln (15 g, Fisher Scientific) zugegeben. Der Deckel des Behälters wurde verriegelt und der Behälter wurde für ein Minimum von 16 Stunden walzengemahlen. Dann wurde das Metalloxid mit 10 Gew.-% Feststoffen bezogen auf trockenes Nafion® zugegeben und wurde mit Nafion® 1000 (DE2020) PFSA-Ionomerdispersion in wässrigem 1-Propanol unter Verwendung von Glaskugeln als Mahlmedium für wenigstens 16 h walzengemahlen, um eine Dispersion zu bilden. Die Mischung wurde dann durch ein 85 µm PTFE-Sieb filtriert und auf zwei Wegen zu Filmen gegossen: (1) als eine einzelne Schicht mit 25 bis 30 µm Dicke und (2) als eine Sandwichstruktur geschichtet in 3 Schichten bestehend aus [10 µm Nafion® PFSA] / [10 µm PFSA mit dispergiertem Metalloxid] / [10 µm Nafion® PFSA]. Einzelne Schichten wurden mit einem Bird-Applikator mit 76,2 µm Abstand mit einem maskierenden Streifenabstandshalter (mit 85 Mikrometern) auf eine Glasplatte beschichtet und für 30 Minuten bei 30 °C im Ofen getrocknet. Der Film wurde dann von dem Glas flotiert und als eine Brennstoffzellenmembran eingesetzt. Wenn sukzessive Beschichtungen gemacht wurden, wurde ein Bird-Applikator mit 76,2 µm Abstand eingesetzt, wobei zwischen den einzelnen sukzessiven Beschichtungen für 30 Minuten bei 80 °C eine Ofentrocknung durchgeführt wurde. Die erste Beschichtung wurde mit einer Nafion-Lösung alleine durchgeführt. Die zweite Beschichtung wurde mit einer Nafion®-Dispersion mit Metalloxid (MnO2) durchgeführt und wurde auf dem ersten Film mit einem Bird-Applikator mit 76,2 µm Abstand aufgebracht und dann wurde die polymerbeschichtete Glasplatte für 30 Minuten bei 80 °C erhitzt. Nachdem eine dritte Schicht einer Nafion®-Lösung alleine mit einem Bird-Applikator mit 76,2 µm Abstand aufgebracht wurde, wurde die polymerbeschichtete Glasplatte für 16 Stunden bei 120 °C erhitzt. Die beschichtete Glasplatte wurde nach Abkühlen auf 25 °C in ein deionisiertes Wasserbad eingetaucht, bis sich der Polymerfilm von dem Glas ablöste. Dem Polymerfilm wurde dann erlaubt, auf einem Papiertuch luftzutrocknen und der resultierende trockene Film wies eine Dicke von 30 Mikrometern auf. Der Polymerfilm wurde in Quadrate mit 101,6 mm mal 101,6 mm geschnitten und wurde zu einer Brennstoffzelle (50 cm2 aktive Fläche) mit einem Katalysator beschichteten Diffusionsmedium zusammengebaut. Die Leistung wurde unter trockenen, nassen und dazwischen liegenden Bedingungen gemessen. Ein Lebensdauertest wurde nach einem beschleunigten 5 Minuten Nass-, 5 Minuten Trocken-Protokoll durchgeführt und die Lebensdauer der einzeln beschichteten Membran mit MnO2 betrug 1070 Stunden, bevor ein kleines Nadellochkreuzleck detektiert wurde. Die Fluoridfreisetzung während des Tests betrug 10-7 g F- pro cm2 Membranfläche pro Stunde. An dieser Membran wurde keine Membranverdünnung oder Platinlinie detektiert. Die als eine Sandwichstruktur hergestellte Membran funktionierte kurz nach Einbruch nicht und diese Anordnung schaffte es nicht, die Membranlebensdauer zu verbessern. Folglich wird angenommen, dass die Einzelschichtstruktur besser ist als die Mehrschichtsandwichstruktur.
  • VERGLEICHSBEISPIEL 2. NAFION-MEMBRAN MIT MnO2 MIT 85 GEW.-% REINHEIT: Eine Dispersion von 10 Gew.-% MnO2 (85 Gew.-% Reinheit mit einer Partikelgröße von weniger als 5 Mikrometern erhältlich von Aldrich) in Nafion 1000-Dispersion (DE 2020) wurde durch Zugabe von MnO2 (0,33 Gramm) zu Nafion 1000-Dispersion (15 g mit 20 Gew.-% Harzfeststoffen) und Glaskugeln (25 Gramm) in einem 40 ml Glasgefäß, welches mit einem Teflonschraubdeckel verschlossen war, hergestellt. Diese Dispersion wurde dann für eine Stunde walzengemahlen, durch ein Teflon-Filtergewebe mit 85 Mikrometern Porengröße filtriert und unter Verwendung eines Bird-Applikatorstabs mit einem 0,277 Millimeter Beschichtungsabstand als ein Film auf flotiertes Glas (0,2032 m x 0,2032 m x 6,35 mm) gegossen. Nach Erhitzen für 16 Stunden auf 125 °C wurde der Film mit deionisiertem Wasser wegflotiert und dann luftgetrocknet. Ein 101,6 mm mal 101,6 mm Stück des Films (Dicke: 25 Mikrometer) wurde in eine Brennstoffzelle mit Katalysator beschichtetem Diffusionsmedium eingebaut und diese Brennstoffzelle arbeitete nicht. Wenn mehr als eine Stunde Walzenmahlen durchgeführt wurde, um die MnO2-Nafion 1000-Dispersion zu bilden, gelierte das Ionomer und die Dispersion konnte nicht zu einem Film beschichtet werden. Folglich war die MnO2-Reinheit von 85 % aufgrund der schlechten Leistung nicht als ein Additiv für eine Nafion 1000-Membran mit 10 Gew.-% Beladung geeignet und insbesondere nicht für eine in Kraftfahrzeugen konkurrenzfähige Brennstoffzellenmembran geeignet.
  • BEISPIEL 3, NAFION-MEMBRAN MIT CeO2. Zwei Arten von Metalloxiden wurde eingesetzt: Cer-(IV)-oxid-Nanopartikel und Cer-(IV)-oxid-Nanopartikel in Wasser (Aldrich). Die CeO2-Nanopartikel wurden mit 10 Gew.-% bezogen auf die Harzfeststoffe zu einer Nafion®-Lösung zugegeben und eine Dispersion wurde mit Glaskugelmahlmedien wie in dem Beispiel 2 hergestellt. Die Cer(IV)-Dispersion wurde wie in dem Beispiel 2 beschichtet und getrocknet. Ein Lebensdauertest wurde unter einem beschleunigten 5 Minuten Nass-, 5 Minuten Trocken-Protokoll durchgeführt und diese Einzelschicht beschichtete Membran mit Cer(IV)-Nanopartikeln entwickelte keine Ausfälle nach mehr als 1.510 Stunden und es wurde nach dieser Zeitspanne kein Kreuzleck detektiert. Zudem wurden bei dieser Membran kein Membranverdünnen und keine Platinlinie detektiert. Die Fluoridfreisetzung während des Tests betrug 10-7 g F- pro cm2 Membranfläche pro Stunde. Die als eine Sandwichstruktur hergestellte Membran funktionierte kurz nach Einbruch nicht und diese Anordnung schaffte keine Verbesserung der Membranlebensdauer. Folglich wird angenommen, dass die Einzelschichtstruktur besser als die Mehrschicht-Sandwich-Struktur ist.
  • BEISPIEL 4, EINE ZWEISCHICHT-NAFION-MEMBRAN MIT CER-(IV)-OXID (CeO2) UND MnO2. Eine Zweischichtmembranstruktur wurde mit einer Membran, welche durch zwei Beschichtungen hergestellt worden ist, hergestellt. Die erste Beschichtung mit einem Bird-Applikator mit 76,2 µm Abstand wurde mit einer Nafion®-Dispersion, welche wie in dem Beispiel 3 hergestellte Cer-(IV)-oxid-Nanopartikel enthielt, durchgeführt und die zweite Schicht wurde auf der ersten Cer-(IV)-oxid enthaltenden Schicht unter Verwendung eines Bird-Applikators mit 76,2 µm Beschichtungsabstand mit einer wie in dem Beispiel 2 beschrieben hergestellten Nafion®-Dispersion mit MnO2 hergestellt. Ein Lebensdauertest wurde unter einem beschleunigten 5 Minuten Nass-, 5 Minuten Trocken-Protokoll durchgeführt und diese Einzelschicht beschichtete Membran mit Cer-(IV)-oxid-Nanopartikeln (auf der Anodenseite) entwickelte selbst nach mehr als 1.680 Stunden keine Ausfälle und nach dieser Zeitspanne wurde kein Kreuzleck detektiert. Die Fluoridfreisetzung während des Tests betrug 10-7 g F- pro cm2 Membranfläche pro Stunde. Diese Membran zeigte eine bessere Leitung als die entsprechenden wie in den Beispielen 2 und 3 beschrieben hergestellten Membranen.
  • BEISPIEL 5, NAFION-MEMBRAN MIT PtO2. Eine Einzelschicht Nafion®-Membran wurde mit dispergiertem PtO2 mit 10 Gew.-% Beladung bezogen auf Ionomer hergestellt. Die Membran zeigte eine bessere Leistung als die Nafion-Kontrolle, aber die Membranlebensdauer mit einem Gaskreuzleck trat kurz nach Einbruch auf. Folglich war die Lebensdauer nicht verbessert, aber die Leistung wurde insbesondere unter trockenen Betriebsbedingungen verbessert. Eine Verringerung der Beladung von 10 Gew.-% auf 5 Gew.-% PtO2 bzw. 1 Gew.-% PtO2 bezogen auf das Ionomer führte sowohl zu einer verbesserten Leistung gegenüber der Kontrolle als auch zu einer verbesserten Lebensdauer verglichen mit der Membran mit 10 Gew.- % PtO2.
  • BEISPIEL 6, NAFION-MEMBRAN MIT RuO2. Eine Einzelschicht Nafion®-Membran wurde mit dispergiertem RuO2 hergestellt. Die Membran zeigte eine besserte Leistung als die Nafion-Kontrolle, aber die Membranlebensdauer mit einem Gaskreuzleck trat kurz nach Einbruch auf. Folglich war die Lebensdauer nicht verbessert, aber die Leistung war insbesondere unter trockenen Betriebsbedingungen verbessert. Eine Verringerung der Beladung von 10 Gew.-% auf 5 Gew.-% RuO2 bzw. 1 Gew.-% RuO2 bezogen auf das Ionomer resultierte sowohl in einer verbesserten Leistung gegenüber der Kontrolle als auch in einer verbesserten Lebensdauer, wenn mit der Membran mit 10 Gew.-% RuO2 verglichen.
  • BEISPIEL 7, NAFION-MEMBRAN MIT ANDEREN METALLOXIDEN UND MISCHUNGEN VON METALLOXIDEN. Nafion®-Membranen wurden mit anderen Metalloxiden einschließlich Vanadiumoxiden (in den III, IV und V Oxidationszuständen), Co2+/3+-Oxid (10 Gew.-% Feststoffe), RuO2 (mit 1 und 5 Gew.-% basierend auf Polymerfeststoffen), PtO2 (mit 1 Gew.-% basierend auf Nafion®-Feststoffen), MoO2, Mo2O3 und Mischungen von Metalloxiden hergestellt. Insbesondere unter trockenen Bedingungen wurde eine Verbesserung in der Membranlebensdauer und der Membranleistung beobachtet. Interessanterweise wurde herausgefunden, dass Co2+/3+-Oxid die Leistung beeinträchtigte, wenn dieses nicht mit Cer-(IV)-oxid-Nanopartikeln vermischt war, wobei in dem letztgenannten Fall die Leistung überraschenderweise verbessert war. Vanadiumoxide mit Vanadium in den 3+- und 5+-Oxidationszuständen verbesserten die Trockenleistungsfähigkeit der Membran beträchtlich, und zwar so viel, dass die Trockenleistung die Nass- und dazwischen liegend angefeuchtete Membranleistung überbot. Allerdings waren die Lebensdauerverbesserungen mit Vanadiumoxiden mit Nafion® alleine nicht verbessert. Es wurde herausgefunden, dass eine Membran mit Cer-(IV)-oxid auf der Anode und mit V2O3 auf der Kathode nicht nur unter trockenen Betriebsbedingungen besser arbeitete, sondern auch die Membranlebensdauer dramatisch verbesserte.
  • BEISPIEL 8- MEMBRAN MIT CER-(IV)-OXID VERARBEITET DURCH EXTRUSION. Poly(tetrafluorethylen-perfluorsulfonylfluorid) (DE-838WX-Film von E. I. DuPont de Nemours) wird mit einem Waring-Mischgerät zerkleinert und es werden Cer-(IV)-oxid-Nanopartikel (Aldrich) mit 10 Gew.-% bezogen auf das Polymer zugegeben. Die Mischung wird zwischen 148,89 und 204.44 °C (176.67 °C) unter Verwendung eines Dynisco Laboratoriumsmischextruders (Modell LME), welcher mit einer Einzellochdüse ausgestattet ist, schnell extrudiert. Der Strang wird mit einem Waring-Mischgerät zerkleinert und wird dann unter denselben Bedingungen extrudiert, wobei der Extruder jedoch mit einer Breitbandschlitzdüse ausgestattet ist. Das Band wird dann zwischen zwei Walzen komprimiert, um einen Cer-(IV)-oxid-Film herzustellen. Der Film wird dann für 16 Stunden in 20 Gew.-% wässriges Kaliumhydroxid in Dimethylsulfoxid eingetaucht. Der Film wird dann extensiv mit Wasser gewaschen und für 16 Stunden in 2 normale Schwefelsäure eingetaucht. Der Film wird dann mit Wasser gewaschen, bis der pH-Wert der Wasserwäschen nahe 7 beträgt. Auf diese Weise wird Cer-(IV)-oxid zu einer für Brennstoffzellen geeigneten Perfluorsulfonsäurepolymermembran schmelzvermischt.
  • BEISPIEL 9- MEMBRAN MIT CER-(IV)-OXID VERARBEITET DURCH FORMPRESSEN. Eine in Lösung gegossene Membran mit Cer-(IV)-oxid wird wie in dem Beispiel 2 beschrieben hergestellt. Diese Membran wird in Salzwasser eingetaucht und 50 Gew.-% Natriumhydroxid werden tropfenweise zugegeben, bis der pH-Wert nahe 10 beträgt. Der Film wird dann extensiv mit Wasser gewaschen und dann luftgetrocknet. Der Film wird dann zwischen 127 mm mal 127 mm Stahlplatten mit einer Schicht Gylon®, um den Druck zu verteilen, und mit einem 0.127 mm Teflon-Freisetzungsblatt bei einem Druck zwischen 907.18 und 2721.55 Kilogramm und bei 204,44 °C für 4 bis 20 Minuten formgepresst. Dem Film wird erlaubt, auf Raumtemperatur abzukühlen, und dieser wird dann für 16 Stunden in zwei normale Schwefelsäure eingetaucht. Der Film wird dann extensiv mit Wasser gewaschen, bis der pH-Wert der Wasserwäschen nahe 7 liegt. Auf diese Weise wird eine Perfluorsulfonsäure in der Salzform mit Cer-(IV)-oxid durch Formpressen verarbeitet, um eine Membran herzustellen, welche für Brennstoffzellen geeignet ist.

Claims (64)

  1. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil umfassend: eine Polyelektrolytmembran, welche ein Ionomer sowie ein Additiv enthält, wobei das Additiv wenigstens eines von PtO2, CoO oder Co2O3 enthält, und, wobei die Membran eine erste Schicht sowie eine zweite Schicht oberhalb der ersten Schicht und eine dritte Schicht unterhalb der ersten Schicht enthält, wobei die erste Schicht ein zentrales Teilstück definiert, welches frei von dem Additiv ist, und wobei die zweite und die dritte Schicht das Additiv enthalten.
  2. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 1, wobei das Additiv aus Nanopartikeln besteht.
  3. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil umfassend: eine Polyelektrolytmembran, welche ein Ionomer sowie ein Additiv enthält, wobei das Additiv CeO2 sowie wenigstens eines von CoO, Co2O3, VO, VO2, V2O3 oder V2O5 enthält.
  4. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 3, wobei die Membran eine einzelne Schicht aufweist.
  5. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 3, wobei die Membran ein zentrales Teilstück aufweist, welches frei von dem Additiv ist.
  6. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil umfassend: eine Polyelektrolytmembran enthaltend ein Ionomer sowie eine Additivmischung, welche ein erstes Additiv enthaltend wenigstens eines von NiO2 oder CrO2 sowie ein zweites Additiv enthaltend wenigstens eines von RuO2, WO3, PtO2 oder SnO2 enthält, und, wobei die Membran eine erste Schicht sowie eine zweite Schicht oberhalb der ersten Schicht und eine dritte Schicht unterhalb der ersten Schicht enthält, wobei die erste Schicht ein zentrales Teilstück definiert, welches frei von dem Additiv ist und die zweite und die dritte Schicht das Additiv enthalten.
  7. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil enthaltend: eine Brennstoffzellenelektrode enthaltend einen Katalysator, ein Ionomer sowie ein Additiv, das CeO2 und wenigstens eines von CoO oder Co2O3 enthält.
  8. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil umfassend: eine erste Schicht, welche ein erstes Ionomer sowie ein Additiv enthält, wobei das Additiv ein Metalloxid enthält, wobei das Metalloxid eine Metalloxidreinheit in einem Bereich von 90 bis 100 % Reinheit aufweist, wobei das Metalloxid ein Oxid von wenigstens einem von Ce, Mn, V, Pt, Ru, Zr, Ni, Cr, W, Co oder Mo enthält, und, wobei das Additiv in einer Menge von wenigstens 0,1 Gewichtsprozent des Ionomers enthalten ist, des Weiteren enthaltend eine zweite Schicht, welche ein zweites Ionomer enthält, wobei die zweite Schicht unterhalb der ersten Schicht angeordnet ist, und wobei die zweite Schicht frei von einem Metall oder einem Metalloxid ist.
  9. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 8, wobei das Metalloxid eine Metalloxidreinheit in einem Bereich zwischen 99,99 und 100 Prozent Reinheit aufweist.
  10. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 8, wobei das Metalloxid wenigstens eines enthält von MnO2, CeO2, PtO2, RuO2, VO, VO2, V2O3, V2O5, CeO2, CoO, Co2O3, NiO2, CrO2, WO3, SnO2, MoO3, MoO2, Mn2O3, CeO2 und CoO; CeO2 und Co2O3; CeO2 und VO; CeO2 und VO2; CeO2 und V2O3; CeO2 und V2O5; CeO2, NiO2 oder CrO2 in Mischung mit wenigstens einem von CeO2, MoO3, MoO2, Mn2O3, RuO2, WO3, PtO2 oder SnO2 oder Derivaten hiervon.
  11. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 8, wobei das Additiv aus Nanopartikeln besteht.
  12. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 8, wobei das Additiv Nanopartikel enthält, welche wenigstens eines von Cer-(IV)-oxid (CeO2), CeZrO4 oder Ce1-xZrxO2, worin x kleiner als 1 ist, enthalten.
  13. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 8, wobei das Additiv eine Mischung von Metalloxiden enthält, welche umfasst: CeO2 und MnO2; CeO2 und CoO; CeO2 und Co2O3; CeO2 und VO; CeO2 und VO2; CeO2 und V2O3; CeO2 und V2O5; CeO2 in Mischung mit wenigstens einem von MoO3, MoO2, Mn2O3.
  14. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 13, wobei das Additiv aus Nanopartikeln besteht.
  15. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 8, wobei das Additiv NiO2 und wenigstens eines von RuO2, WO3, PtO2 oder SnO2 enthält.
  16. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 8, wobei das Additiv CrO2 und wenigstens eines von RuO2, WO3, PtO2 oder SnO2 enthält.
  17. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 8, wobei das Metalloxid in einer Menge in einem Bereich zwischen 0,1 und 5 Gewichtsprozenten des ersten Ionomers enthalten ist.
  18. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 8, wobei das Metalloxid in einer Menge in einem Bereich zwischen 8 und 12 Gewichtsprozenten des ersten Ionomers enthalten ist.
  19. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 8, wobei das Metalloxid aus RuO2 besteht.
  20. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 8, wobei das erste Ionomer Moleküle enthält, welche ein Kohlenstoff-Fluor-Rückgrat mit Sulfonsäuregruppen enthaltenden Perfluor-Seitenketten enthält.
  21. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 8, wobei das erste Ionomer ein Perfluorsulfonsäurepolymer enthält.
  22. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 8, wobei das erste Ionomer wenigstens eines eines aromatischen Kohlenwasserstoffs oder eines aliphatischen Polymers enthält.
  23. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 8, wobei das erste Ionomer ein sulfoniertes Polysulfonpolyetheretherketon, sulfonierte Polyarylenetherketone, sulfonierte Polyarylenethersulfone, sulfonierte Polyarylenthioetherketone, sulfonierte Polyarylenethersulfone, sulfonierte Polybenzimidazole, sulfonierte Polyimide, sulfonierte Polyphenylene oder sulfoniertes Polyphenylensulfid als zufällig verteilte Polymere, Block- oder Multiblock-Polymere oder als Mischungen hiervon enthält.
  24. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 8, wobei die erste Schicht in einem getrockneten Zustand eine Dicke in einem Bereich zwischen 5 und 100 Mikrometern aufweist.
  25. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 8, wobei die erste Schicht in dem getrockneten Zustand eine Dicke in einem Bereich zwischen 5 und 50 Mikrometern aufweist.
  26. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 25, wobei die erste Schicht in dem getrockneten Zustand eine Dicke in einem Bereich zwischen 5 und 30 Mikrometern aufweist.
  27. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 26, wobei die erste Schicht in dem getrockneten Zustand eine Dicke in einem Bereich zwischen 5 und 12 Mikrometern aufweist.
  28. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 8, des Weiteren enthaltend eine dritte Schicht, welche unterhalb der zweiten Schicht angeordnet ist, wobei die dritte Schicht dieselbe Zusammensetzung wie die erste Schicht aufweist.
  29. Verfahren umfassend: Bilden einer Dispersion, welche ein erstes Ionomer, ein Additiv sowie wenigstens eines eines Alkohols oder Wasser enthält, Gießen und Trocknen der Dispersion, um eine getrocknete erste Schicht auszubilden, welche das erste Ionomer und das Additiv enthält, wobei das Additiv ein Metalloxid mit einer Metalloxidreinheit in einem Bereich zwischen 90 und 100 Prozent Reinheit enthält, wobei das Metalloxid ein Oxid wenigstens eines von Ce, Mn, V, Pt, Ru, Zr, Ni, Cr, W, Co oder Mo enthält, und, wobei das Additiv in einer Menge von wenigstens einem Gewichtsprozent der getrockneten ersten Schicht enthalten ist, Abscheiden einer zweiten Schicht über der ersten Schicht, wobei die zweite Schicht ein zweites Ionomer enthält und frei von einem Metall oder einem Metalloxid ist.
  30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei die Dispersion Wasser enthält.
  31. Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Alkohol wenigstens einen von Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol oder 1-Butanol enthält.
  32. Verfahren nach Anspruch 29, wobei die erste Schicht nach dem Trocknen eine Dicke in einem Bereich von 1 bis 50 Mikrometern aufweist.
  33. Verfahren nach Anspruch 29, wobei die erste Schicht eine Dicke in einem Bereich zwischen 5 und 35 Mikrometern aufweist.
  34. Verfahren nach Anspruch 33, wobei die erste Schicht eine Dicke in einem Bereich zwischen 8 und 12 Mikrometern aufweist.
  35. Verfahren nach Anspruch 29, des Weiteren umfassend das Mahlen der Dispersion vor dem Gießen und dem Trocknen.
  36. Verfahren nach Anspruch 35, wobei das Mahlen des Weiteren die Verwendung von Glaskugeln als ein Mahlmedium umfasst.
  37. Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Additiv ein Metalloxid mit einer Reinheit in einem Bereich zwischen 99 und 100 Prozent Reinheit enthält.
  38. Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Additiv ein Metalloxid mit einer Reinheit in einem Bereich zwischen 99,99 und 100 Prozent Reinheit enthält.
  39. Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Gießen die Abscheidung der Dispersion auf einer zweiten Schicht umfasst.
  40. Verfahren nach Anspruch 38, des Weiteren umfassend das Ausbilden der zweiten Schicht umfassend das Bilden einer zweiten Dispersion, welche ein zweites Ionomer enthält, sowie Gießen der zweiten Dispersion auf eine dritte Schicht und Trocknen der zweiten Dispersion.
  41. Verfahren nach Anspruch 38, des Weiteren umfassend das Ausbilden einer dritten Schicht über der ersten Schicht, wobei die dritte Schicht ein drittes Ionomer enthält.
  42. Verfahren nach Anspruch 39, wobei wenigstens eine der ersten Schicht, der zweiten Schicht oder der dritten Schicht ein Perfluorsulfonsäurepolymer enthält.
  43. Verfahren nach Anspruch 29, wobei wenigstens eines der Ionomere der ersten Schicht, der zweiten Schicht oder der dritten Schicht wenigstens eines eines sulfonierten, aromatischen, aliphatischen Kohlenwasserstoffpolymers enthält.
  44. Verfahren nach Anspruch 29, wobei jede der ersten Schicht, der zweiten Schicht und der dritten Schicht eine Dicke in einem Bereich zwischen 5 und 12 Mikrometern aufweist.
  45. Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Metalloxid wenigstens eines von MnO2, CeO2, PtO2, RuO2, VO, VO2, V2O3, V2O5, CoO, Co2O3, NiO2, CrO2, WO3, SnO2, Mn2O3, MoO3, MoO2 oder Derivaten hiervon enthält.
  46. Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Additiv aus Nanopartikeln besteht.
  47. Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Additiv Nanopartikel enthält, welche wenigstens eines von Cer-(IV)-oxid (CeO2), CrZeO4 oder Ce1-xZrxO2, worin x kleiner als 1 ist, enthalten.
  48. Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Additiv eine Mischung von Metalloxiden enthält, umfassend: CeO2 und MnO2; CeO2 und CoO; CeO2 und Co2O3; CeO2 und VO; CeO2 und VO2; CeO2 und V2O3; CeO2 und V2O5; CeO2 in Mischung mit wenigstens einem von MoO3, MoO2, Mn2O3.
  49. Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Additiv NiO2 und wenigstens eines von RuO2, WO3, PtO2 oder SnO2 enthält.
  50. Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Additiv CrO2 und wenigstens eines von RuO2, WO3, PtO2 oder SnO2 enthält.
  51. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil umfassend: ein erstes Schichtteilstück enthaltend ein erstes Ionomer und ein erstes Additiv, wobei das erste Additiv ein Metalloxid enthält, welches ein Oxid wenigstens eines von Ce, Mn, V, Pt, Ru, Zr, Ni, Cr, W, Co, Mo oder Sn enthält, und, wobei das erste Additiv in einer Menge von wenigstens 0,1 Gewichtsprozent des Ionomers enthalten ist, ein zweites Schichtteilstück enthaltend ein zweites Ionomer und ein zweites Additiv, wobei das zweite Additiv ein Metalloxid enthält, welches ein Oxid wenigstens eines von Ce, Mn, V, Pt, Ru, Zr, Ni, Cr, W, Co, Mo oder Sn enthält, und, wobei das zweite Additiv in einer Menge von wenigstens 0,1 Gewichtsprozent des Ionomers enthalten ist, und wobei das erste Additiv ein Metalloxid verschieden von dem Metalloxid des zweiten Oxids enthält.
  52. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 51, wobei das erste Schichtteilstück des Weiteren einen Katalysator sowie Katalysatorträgerpartikel enthält.
  53. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 52, wobei das zweite Schichtteilstück des Weiteren einen Katalysator sowie Katalysatorträgerpartikel enthält.
  54. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 51, wobei das zweite Schichtteilstück frei ist und wobei das zweite Schichtteilstück ein Teil einer Elektrolytmembran ist.
  55. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 51, wobei das erste Additiv aus CeO2 besteht und das zweite Additiv aus MnO2 besteht.
  56. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 51, wobei das erste Schichtteilstück und das zweite Schichtteilstück wenigstens ein Teilstück einer Elektrolytmembran bilden.
  57. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 51, eine Zweischichtelektrolytmembran enthaltend, welche das erste Schichtteilstück und das zweite Schichtteilstück enthält.
  58. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 53, eine Zweischichtelektrolytmembran enthaltend, welche das erste Schichtteilstück und das zweite Schichtteilstück enthält.
  59. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 51, wobei das erste Additiv und das zweite Additiv aus Nanopartikeln bestehen.
  60. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 51, wobei jedes des ersten Additivs und des zweiten Additivs eine Metalloxidreinheit in einem Bereich zwischen 90 und 100 Prozent Reinheit aufweisen.
  61. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 51, wobei jedes des ersten Additivs und des zweiten Additivs eine Metalloxidreinheit in einem Bereich zwischen 99 und 100 Prozent Reinheit aufweist.
  62. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil umfassend: eine erste Schicht enthaltend ein erstes Ionomer und ein Additiv, wobei das Additiv ein Metalloxid enthält, welches ein Oxid wenigstens eines von Mn, V, Pt, Ru, Zr, Ni, Cr, W, Co oder Mo enthält, und, wobei das Additiv in einer Menge von wenigstens 0,1 Gewichtsprozent des Ionomers vorliegt und das Additiv aus Nanopartikeln besteht.
  63. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 62, wobei das Additiv eine Metalloxidreinheit in einem Bereich zwischen 90 und 100 Prozent Reinheit aufweist.
  64. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbauteil nach Anspruch 62, wobei das Additiv eine Metalloxidreinheit in einem Bereich zwischen 99 und 100 Prozent Reinheit aufweist.
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