DE19914661A1

DE19914661A1 - Integrierte verschaltete Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE19914661A1
Application number: DE19914661A
Authority: DE
Inventors: Joerg Mueller; Laurent Mex
Original assignee: Individual
Current assignee: MUELLER, JOERG, PROF. DR.-ING., 21244 BUCHHOLZ, DE
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2000-10-05
Anticipated expiration: 2019-04-01
Also published as: DE19914661C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM), die durch Dünnschichtverfahren auf einer porösen, nichtleitenden Membran realisiert wird und sich damit durch einfache Herstellung, einfache Strukturier- und damit Integrierbarkeit, geringen Materialverbrauch bei hohem Wirkungsgrad aufgrund geringer interner elektrischer Verluste und bei Nutzung als DMFC-Zelle durch hohe Methanol-Sperrwirkung sowie Langzeitstabilität und einfacher Verschaltungsmöglichkeit auf dem Substrat auszeichnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Polymer-Elektrolyt- Membran-Brennstoffzelle (PEM), die durch Dünn schichtverfahren auf einer porösen, nichtleitenden Membran realisiert wird und sich damit durch ein fache Herstellung, einfache Strukturier- und damit Integrierbarkeit, geringen Materialverbrauch bei hohem Wirkungsgrad aufgrund geringer interner elektrischer Verluste und bei Nutzung als DMFC- Zelle durch hohe Methanol-Sperrwirkung sowie Langzeitstabilität und einfache Verschaltungsmög lichkeit auf dem Substrat auszeichnet.

PEM-Brennstoffzellen werden üblicherweise aus einer Schichtung von Folien oder folienähnlichen Strukturen zusammengesetzt, die aus einer ionen leitenden Polymerfolie, aus mit Katalysatorschich ten versehenen porösen Graphitelektroden sowie metallischen Folien, die i. a. die Kanäle für die Zu fuhr und gleichmäßige Verteilung der Brennstoffe enthalten, bestehen (z. B. US 5,858,569). Neben der relativ komplexen Montagetechnik liegt ein Nach teil dieser Konstruktion in der Begrenzung insbe sondere der minimal herstellbaren und verarbeitba ren Dicke der ionenleitenden Membran sowie in dem wenig definierten Kontakt zwischen den für den Wirkungsgrad wesentlichen Katalysator schichten auf den porösen Graphitfolien und der Membran. Diese Begrenzungen führen außerdem zu einem erhöhten Spannungsabfall über der Mem bran sowie einem erhöhten Bedarf an dem die Zell kosten wesentlich bestimmenden Katalysatormate rial. Weiterhin ist eine Verschaltung solcher Zellen als Stapel zwar relativ einfach, für eine Verschal tung in einer Ebene, wie es z. B. für flache Zellen zum Einsatz in Kleinverbrauchern wünschenswert ist, ist diese Konstruktion dagegen weniger gut geeignet. Eine alternative Möglichkeit besteht dar in, solche Zellen als Dünnschichtsystem auf diesen Graphitfolien abzuscheiden (US 5,750,013).

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es ebenfalls, die o. g. Nachteile zu vermeiden und gleichzeitig entgegen der genannten Dünnschichtzelle die Möglichkeit der Verschaltung solcher Zellen zu erreichen, die zu den o. g. zusätzlichen Verbesse rungen im Betrieb der Zellen führen.

Gemäß Abb. 1 wird dazu auf einem gasdurchlässi gen nichtleitenden Substrat 1 eine Schichtstruktur aufgebracht, bestehend aus einer gut elektrisch leitenden porösen Graphitschicht mit einer inner halb der Ionenreichweite in dieser Schicht von der Schichtoberfläche her gesehen in Normalenrichtung zunehmenden Katalysatormetallkonzentration 2, einer darüber vorzugsweise in einer Coploymerisa tion aus zwei Präkursoren für eine Polymermatrix und eine darin integrierte ionenleitende Ketten struktur in einem Plasmapolymersationsprozeß abgeschiedenen, hochvernetzten, ionenleitenden dünnen Membranschicht 3 und einer weiteren, im gleichen Verfahren wie die untere, aber mit inver sem Profil bezüglich der Katalysatorkonzentration und mit anderen Katalysatoren versehenen porösen Graphitschicht 4. Zur Reduzierung des Serienwi derstandes und zum Verschließen der porösen Substratflächen zwischen den Zellbereichen und der Kontaktierung wird eine Metallisierung 5 vor zugsweise in Dünnschichttechnik aufgebracht.

Da alle Schichten in einem Dünnschichtverfahren, vorzugsweise einem Plasma-Verfahren abgeschie den werden, kann die Herstellung dieser Zelle ohne Unterbrechung des Vakuums unmittelbar nachein ander sowohl in stationären Prozessen wie in Durchlaufprozessen erfolgen, wobei zur einfachen Verschaltung von Zellen in Reihe eine mechanische Maske vor der jeweiligen Abscheidung der näch sten Schicht gemäß Abb. 2 einfach seitlich versetzt wird oder die Schichten werden durch Photolitho graphie- und Ätzschritte strukturiert und so mit üblichen Dünnschichtverfahren, etwa Erzeugung metallischer Leiterbahnen, in der Ebene verschaltet.

Da eine solche Struktur sehr flexibel ist, kann sie sowohl in der üblichen Stapelstruktur für eine wei tere Verschaltung von Zellen in Reihe, aber auch durch Aufrollen, z. B. als zylindrische Zelle, aufge baut werden. Wegen der weitestgehenden Freiheit in der Maskengeometrie können auch spezifisch geforderte geometrische Zellformen erzeugt wer den.

Claims

1. Integriert verschaltete Dünnschicht-Polymer- Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem isolierenden po rösen, gasdurchlässigen Substrat, eine gut elek trisch leitende poröse Graphitschicht in einem Dünnschichtverfahren abgeschieden wird, in die an der Grenze zur darüber in einem Plasma-Co- Polymerisationsprozeß als Dünnschicht abge schiedenen hochvernetzen ionenleitfähigen Membran innerhalb der Ionenreichweite in die sem Abscheideprozeß Cluster von Katalysator metallen integriert werden und daß über der io nenleitenden Membran eine weitere poröse, an der Grenzfläche innerhalb der Ionenreichweite mit Katalysatormetallclustern geimpfte Graphit schicht aufgebracht wird und damit eine inte grierte Brennstoffzelle entsteht, dadurch daß die Schichtabfolge strukturiert und unmittelbar auf dem Substrat verschaltet wird.

2. Integriert verschaltete Dünnschicht-Polymer- Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat ein poröses Polymer benutzt wird.

3. Integriert verschaltete Dünnschicht-Polymer- Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab scheidung der porösen Graphitschichten ober halb und unterhalb der ionenleitenden Membran vorzugsweise in einem Azethylenplasma im Be reich der Gasphasenreaktionen erfolgt.

4. Integriert verschaltete Dünnschicht-Polymer- Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle nach An spruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Graphitschicht an der Grenzfläche zur ionenleitenden Membran mit Katalysatorme tallclustern versehen ist.

5. Integriert verschaltete Dünnschicht-Polymer- Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle nach An spruch 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Cluster vorzugsweise aus Pt und Pt-Ru bestehen.

6. Integriert verschaltete Dünnschicht-Polymer- Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle nach An spruch 1 und 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbindung der Metalle durch einen Abtrag von den Elektroden während des Plas mabeschichtungsprozesses in einem Parallel plattenreaktor erfolgt.

7. Integriert verschaltete Dünnschicht-Polymer- Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle nach An spruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ionenleitende Membran in einem Co- Plasmapolymerisationsprozeß vorzugsweise aus Fluoräthan und Vinylphosphonsäure erfolgt.

8. Integriert verschaltete Dünnschicht-Polymer- Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle nach An spruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der Schichten strukturiert erfolgt.

9. Integriert verschaltete Dünnschicht-Polymer- Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle nach An spruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der Schichten durch mechanische Masken erfolgt, die nach jedem Schritt seitlich versetzt werden.

10. Integriert verschaltete Dünnschicht-Polymer- Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle nach An spruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung der Schichten durch Photolitho graphie und Ätztechniken erfolgt.

11. Integriert verschaltete Dünnschicht-Polymer- Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle nach An spruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verschaltung in Dünnschichtverfahren auf gebrachte Metallisierungen dienen.

12. Dünnschicht-Polymer-Elektrolyt-Membran- Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Einzelzellen aus der Folie durch Ausstanzen gewonnen werden.

13. Integriert verschaltete Dünnschicht-Polymer- Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle nach An spruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der Schichten stationär erfolgt. 14. Integriert verschaltete Dünnschicht-Polymer- Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle nach An spruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der Schichten im Durchlauf verfahren erfolgt.

15. Integriert verschaltete Dünnschicht-Polymer- Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle nach An spruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen zu planaren Stapelzellen verschaltet werden.

16. Integriert verschaltete Dünnschicht-Polymer- Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle nach An spruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen zu gerollten, zylindrischen Zellen verschaltet werden.

17. Integriert verschaltete Dünnschicht-Polymer- Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle nach An spruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß spezifisch geformte Masken und damit Zell geometrien gewählt werden können.