DE19914680A1

DE19914680A1 - Polymer-Elektrolyt-Membran mit integrierter Katalysatormetall-dotierter poröser Graphit-Kontaktschicht

Info

Publication number: DE19914680A1
Application number: DE19914680A
Authority: DE
Inventors: Joerg Mueller; Thomas Guth; Laurent Mex
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2000-12-07
Anticipated expiration: 2019-04-01
Also published as: DE19914680C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und das zugehörige Verfahren, Brennstoffzellen, insbesondere solche, die auf Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) beruhen, bezüglich ihrer Wechselwirkung mit den Katalysatoren der porösen Elektroden gegenüber dem Stand der Technik deutlich zu verbessern, indem die Membran in einem Plasmaabscheideprozeß mit einer porösen Graphitschicht beschichtet wird, in die während des Prozesses gezielt bezüglich Clustergröße (Konzentration) und Tiefenverteilung (Gradient) die Katalysatormetalle, vorzugsweise Pt und Pt-Ru, eingebracht werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und das zugehörige Verfahren, Brennstoffzellen, insbeson dere solche, die auf Polymer-Elektrolyt- Membranen (PEM) beruhen, bezüglich ihrer Wech selwirkung mit den Katalysatoren der porösen Elektroden gegenüber dem Stand der Technik deutlich zu verbessern. Dazu wird die Membran vorzugsweise in einem Plasmaabscheideprozeß mit einer porösen Graphitschicht beschichtet, in die während des Prozesses gezielt bezüglich Cluster größe (Konzentration) und Tiefenverteilung (Gradient) die Katalysatormetalle, vorzugsweise Pt und Pt-Ru, eingebracht werden. Die daraus resultie renden integrierten Membransysteme zeichnen sich dann nicht nur durch verbesserte Betriebseigen schaften aus, sondern sie ermöglichen auch verein fachte und ggf. neuartigen Zellenaufbauten.

PEM-Brennstoffzellen werden üblicherweise aus einer Schichtung von Folien oder folienähnlichen Strukturen zusammengesetzt, bestehend aus der ionenleitenden Polymerfolie, den mit Katalysator schichten versehenen porösen Graphitelektroden sowie metallischen Folien, die i. a. die Kanäle für die Zufuhr und gleichmäßige Verteilung der Brennstoffe enthalten (z. B. US 5,858,569). Neben der relativ komplexen Montagetechnik liegt ein Nachteil dieser Konstruktion in dem wenig defi nierten Kontakt zwischen den für den Wirkungs grad wesentlichen Katalysatorschichten und der Membran. Diese Begrenzungen führen außerdem zu einem erhöhten Spannungsabfall über der Mem bran sowie einem erhöhten Bedarf an dem die Zelt kosten wesentlich bestimmenden Katalysatormate rial. Weiterhin ist die Geometrie damit realisierba rer Zellen weitgehend auf Stapelstrukturen be schränkt, d. h. z. B. zylindrische Systeme, wie sie für eine direkte Kompatibilität mit Batterien und Ak kumulatoren wünschenswert wären, sind damit nur mit hohem Aufwand herzustellen.

In der vorliegenden Erfindung werden diese Pro bleme gemäß Abb. 1 dadurch gelöst, daß auf die ionenleitende Polymermembran 1 in direktem Kontakt zur Membran in einem vorzugsweise plasmaaktivierten Abscheideprozeß beidseitig je weils eine mit Katalysatormetallen geimpfte poröse Graphitschicht 2 aufgebracht wird.

Diese poröse Graphit-Schicht wird z. B. in einem Parallelplatten-Plasma-Reaktor mit Elektroden aus den Katalysatormaterialien (z. B. Pt, bzw. Pt-Ru) vorzugsweise in einer Azethylen-Atmosphäre bei hohem Prozeßdruck und hoher Leistung im Regime von Gasphasenreaktionen abgeschieden. Die Kon zentration bzw. die Größe und Verteilung der Clu ster des Katalysators wird vorzugsweise durch Variation der Leistung und des Drucks im Prozeß eingestellt. Zur Minimierung des Katalysatorme tallbedarfs bei gleichzeitiger Maximierung der Wirksamkeit des Katalysators wird die Konzentra tion von hoher Konzentration an der Grenzfläche zu verschwindender außerhalb des aktiven Berei ches der Schicht, also der Protonenreichweite in der Schicht variiert.

Zur vereinfachten Trennung z. B. im Durchlaufver fahren, aber auch bei großflächiger stationärer Abscheidung kann gemäß Abb. 2 auf der Membran 1 die Graphitabscheidung 2 auch strukturiert erfol gen, vorzugsweise mit einer Schattenmaske 3. Auf diese Weise ist eine einfache laterale Verschaltung solcher Zellen auf einer Membranebene möglich, wenn zusätzliche Verbindungen 5 durch entspre chende Aussparungen 4 in der Membran 1 die Graphitschichten unmittelbar miteinander verbin den.

Die auf diese Weise entstehende integrierte Mem branstruktur, bestehend aus Membran und inte grierten Katalysator-beladenen porösen Graphite lektroden läßt sich, um eine komplette Zelle zu erzeugen, mit mit geeigneten Reliefstrukturen ver sehenen Metallfolien kombinieren, um daraus Sta pelzellen oder aber auch anders geformte z. B. bei ausreichend geringer Dicke der Graphitschicht zylinderförmige Brennstoffzellen aufzubauen.

Claims

1. Integrierte PEM-Brennstoffzellen-Membran, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits auf der Membran vorzugsweise durch im Plasma je weils mit Katalysatormetallen geimpfte poröse Graphitschichten abgeschieden werden, deren Konzentration bezüglich optimaler Wirkung im unmittelbaren Kontakt zur Membran maximal ist und die entsprechend der Protonenreichweite mit zunehmenden Abstand senkrecht zur Mem bran bis auf Null abnimmt und dadurch die notwendige Katalysatormenge minimal wird und dadurch gekennzeichnet, daß durch die in nige Verbindung von elektronenleitendem porö sem Graphit, ionenleitender Membran und Ka talysatorclustern die größtmögliche Wechsel wirkung durch Einstellung von Konzentration und Clustergröße des Katalysatormaterials er reicht werden kann.

2. Integrierte Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese poröse Graphit schicht durch eine Abscheidung im Regime der Gasphasenreaktion von Kohlenstoff in einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre vorzugsweise in einem Azetylenplasma erfolgt.

3. Integrierte Membran nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impfung durch Katalysatormetallcluster durch Abscheidung des Graphits in einem Parallelplatten-Plasmareaktor mit mit den Katalysatormetallen belegten Elek troden erfolgt und daß die Konzentration, Clu stergröße und der Gradient während der Ab scheidung durch Variation der Abscheidepara meter vorzugsweise der Prozeßgaskonzentrati on, Leistung, Bias-Spannung und Verweildauer eingestellt werden.

4. Integrierte Membran nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysator metall vorzugsweise Pt und Pt-Ru verwendet werden.

5. Integrierte Membran nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke des porösen Graphit bei einigen µm liegt und bezüglich notwendiger Leitfähigkeit und me chanischer Stabilität, minimierter Abscheidezeit und maximaler Flexibilität optimiert wird.

6. Integrierte Membran nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Graphit schichten durch geeignete Schattenmasken strukturiert aufgebracht werden und dadurch ei ne integrierte Verschaltung auf der Membran bzw. eine einfache Trennung ohne mechanische Belastung der integrierten Struktur möglich wird.

7. Integrierte Membran nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschaltung durch durchkontaktierende, strukturierte Gra phitschichten erfolgt.

8. Integrierte Membran nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Membran ergänzt z. B. durch mit Kanalreliefs versehene Metallfolien zu Mehrfach-Stapelzellen erwei tern läßt.

9. Integrierte Membran nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Membran ergänzt z. B. durch mit Kanalreliefs versehene Metallfolien zu planaren Mehrfach-Zellen er weitern läßt.

10. Integrierte Membran nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Membran ergänzt z. B. durch mit Kanalreliefs versehene Metallfolien zu vorzugsweise zylinderförmigen Mehrfachzellen aufrollen läßt.

11. Integrierte Membran nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran in einem Parallelplatten-Plasmareaktor stationär beschichtet wird.

12. Integrierte Membran nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran in einem Parallelplatten-Plasmareaktor im Durch lauf-Folienbeschichtungsverfahren beschichtet wird.