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DE19917812A1 - Membranelektrodeneinheit für eine selbstbefeuchtende Brennstoffzelle, Verfahren zu ihrer Herstellung und Brennstoffzellenbatterie - Google Patents

Membranelektrodeneinheit für eine selbstbefeuchtende Brennstoffzelle, Verfahren zu ihrer Herstellung und Brennstoffzellenbatterie

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine membranelektrodeneinheit für eine selbstbefeuchtende Brennstoffzelle und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Außerdem betrifft die Erfindung eine selbstbefeuchtende Brennstoffzellenbatterie. Die Membranelektrodeneinheit umfaßt einen Membranelektrolyten, in den zumindest eine Katalysatorschicht einlaminiert ist, so daß innerhalb der Membran durch Rekombination der Reaktionsgase H¶2¶ und O¶2¶ Wasser gezielt erzeugt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Membranelektrodeneinheit für eine selbstbefeuchtende Brennstoffzelle und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Außerdem betrifft die Erfindung eine selbstbe­ feuchtende Brennstoffzellenbatterie.
Eine Brennstoffzellenbatterie besitzt pro Brennstoffzellen­ einheit eine Membranelektrodeneinheit mit einem zentral ange­ ordneten Elektrolyten, wie beispielsweise bei der PEM- Brennstoffzelle einer Ionenaustauschermembran, die als Haupt­ bestandteil eine sulfonierte chemische Verbindung enthält. Diese Gruppe chemischer Verbindungen bindet Wasser in der Membran, um eine ausreichende Protonenleitfähigkeit zu ge­ währleisten. Bei höherer Betriebstemperatur und/oder bei hö­ herem Betriebsdruck wird das Reaktionswasser jedoch nicht ausreichend gebunden und die Membran trocknet aus, insbeson­ dere im Bereich der einströmenden Reaktionsgase. Dies führt, wegen der dort verminderten Protonenleitfähigkeit der Mem­ bran, zu Leistungseinbußen.
Bislang werden die Reaktionsgase befeuchtet, damit sie die Membran nicht austrocknen. Die Befeuchtung der Reaktionsgase bringt jedoch die Schwierigkeit mit sich, daß zusätzlich ein Befeuchter verwendet werden muß.
Es wird deshalb angestrebt, mit unbefeuchteten Reaktionsgasen zu arbeiten, wobei bislang zwei Lösungsansätze gefunden wur­ den:
Zum einen gibt es den Vorschlag aus der DE 198 44 983.6 (noch nicht veröffentlicht) bei dem durch Anordnung einer Flüssig­ keitssperrschicht zwischen der Elektrode und der Gasvertei­ lung innerhalb der Brennstoffzelleneinheit das Reaktionswas­ ser in der Membranelektrodeneinheit gehalten wird.
Zum zweiten gibt es den Vorschlag von M. Watanabe, (J. Elec­ trochem. Soc., Vol. 145 No 4, Seite 1137 (1998)), in der Mem­ bran für eine Reaktion der diffundierenden Reaktionsgase H2 und O2 zu sorgen. Nach dem von ihm vorgeschlagenen Verfahren diffundiert auf der einen Seite der Membran eine Platinsalz­ lösung in die Membran und von der anderen Seite ein Redukti­ onsmittel wie z. B. NaBH4. In der Membran bilden sich so kleinste Platinpartikelchen, die dann im Betrieb die Rekombi­ nation von H2 und O2 zu Wasser katalysieren. Nachteilig an diesem Verfahren ist zunächst der Zeitfaktor, bei der Her­ stellung, da es sich um eine diffusionskontrollierte Reakti­ on, die zu einem Verteilungsprofil über die gesamte Membran­ dicke führt, handelt. Abgesehen davon kann im Extremfall nicht ausgeschlossen werden, daß ein Kurzschluß durch die Platin-Partikel entsteht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Membranelek­ trodeneinheit für eine selbstbefeuchtende Brennstoffzelle auf der Basis von in der Membran eingearbeiteten Platin Partikeln zu schaffen, die massenfertigungstauglich ist und die Nach­ teile der bekannten Membranelektrodeneinheit mit Befeuchter überwindet. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Ver­ fahren zur Herstellung einer selbstbefeuchtenden Membranelek­ trodeneinheit zur Verfügung zu stellen, das ohne die diffusi­ onskontrolliert Erzeugung der Platin-Partikel auskommt. Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung, eine selbstbefeuch­ tende Brennstoffzellenbatterie zu schaffen.
Gegenstand der Erfindung ist eine Membranelektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle, die Wasser zur Befeuchtung aus der Rekombination der Reaktionsgase innnerhalb Membran gewinnt, wobei die Membran zumindest eine Katalysatorschicht, an der die Rekombination stattfindet, umfaßt.
Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Her­ stellung einer Membranelektrodeneinheit mit einer Katalysa­ torschicht, bei dem die Membran aus zumindest zwei Teilmem­ branen gebildet wird, wobei in einem ersten Arbeitsschritt auf zumindest eine Teilmembran eine Katalysatorschicht aufge­ bracht wird, und dann in einem zweiten Arbeitsschritt eine weitere Teilmembran mit der ersten laminiert wird.
Schließlich ist Gegenstand der Erfindung eine Brennstoffzel­ lenbatterie, die selbstbefeuchtend ist und die eine Membran­ elektrodeneinheit einer Brennstoffzelle umfaßt, die eine Ka­ talysatorschicht innerhalb der Membran hat.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung umfaßt die Membran­ elektrodeneinheit außer der Katalysatorschicht noch hygrosko­ pische Partikel, aus einem Material wie zum Beispiel ZrO2, SiO2 und/oder TiO2 die zur Speicherung des rekombinierten Wassers dienen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Katalysatorschicht auf die erste Teilmembran als Tinte und/oder Dispersion aufgepinselt.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Katalysatorschicht aufgesputtert.
Als Katalysatorschicht kann reines Platin oder eine Platin- Kohlenstoffverbindung oder jeder andere Katalysator, der eine kontrollierte Rekombination von H2 und O2 in der Membran zu­ läßt, eingesetzt werden. Die Katalysatorschicht ist lokali­ siert im Inneren der zumindest zweilagig aufgebauten Membran, so daß ein Verteilungsprofil der Platin Partikel wie bei der bekannten Watanabe-Membran vermieden wird.
Als Brennstoffzelle wird eine PEM-(Polymer-Elektrolyte- Membran)-Brennstoffzelle oder jede andere Brennstoffzelle, deren Elektrolyt flüssiges Wasser zur Leitfähigkeit braucht, bezeichnet.
Als Membranelektrodeneinheit wird das Kernstück einer Brenn­ stoffzelle, der Elektrolyt mit jeweils einer Elektrode auf jeder Seite, bezeichnet.
Die Menge und Art (Platin auf Kohlenstoff oder reines Platin etc.) an eingearbeitetem Katalysator richtet sich nach dem Wasserbedarf der Zelle, und variiert je nach Betriebssystem. Bei höherem Wasserbedarf kann die Membrandicke erniedrigt und/oder mehr Katalysator mit höherem Prozentsatz an Platin und/oder mehr hygroskopische Partikel eingearbeitet werden. Die Stelle und/oder die Stellen an der der Katalysator in die Membran eingearbeitet wird, kann frei gewählt werden und wird insbesondere dort erfolgen, wo das Problem der Austrocknung am größten ist.
Mit "Katalysatorschicht" wird hier im Gegensatz zu der Einar­ beitung des Katalysators nach Watanabe eine lokalisierte Schicht bezeichnet. Dabei ist nicht nur eine durchgehende Schicht gemeint, sondern es kann sich auch um eine struktu­ rierte Schicht, also eine "löchrige" Schicht, die z. B. im Druckverfahren aufgebracht wird, handeln. Im Extremfall um­ faßt die Katalysatorschicht nur "Katalysatorinseln" beliebi­ ger Größe und Konzentration auf einer oder mehreren Ebenen in der Membran.
Im folgenden werden noch Beispiele für Ausgestaltungen Mem­ branelektrodeneinheit und des Verfahrens beschrieben:
Zur Herstellung einer selbstbefeuchtenden Membran wird eine erste Teilmembran (z. B. Nafion® Membran 1135 (87 µm)) einsei­ tig mit einer Tinte und/oder Dispersion aus 1 Masseteil Pla­ tin auf Kohle-Katalysator (40%Pt) und 15 Masseteilen Nafion­ lösung (5%Lösung) bepinselt, besprüht oder aufgedruckt. Nach dem Trocknen der Tinte bei 80°C wird eine zweite Teilmembran (z. B. Nafion® 112 (50 µm) Membran) auf die beschichtete Seite der ersten Teilmembran aufgepreßt. Die Membranelektrodenein­ heit wird dann z. B. durch Heißpressen einer Platin-Anode auf eine Seite der fertig laminierten Membran und einer Platin- Kathode auf die andere Seite hergestellt.
Die erste beschichtete Teilmembran kann auch noch feucht mit der flüssigen Tinte und/oder Dispersion und/oder mit reinem Platin-Pulver mit einer zweiten oder weiteren Teilmembran (z. B. durch feuchtes Kleben) laminiert werden. Die Laminie­ rung und/oder das Verkleben kann eventuell durch Heißpressen unterstützt werden. Die Membran wird dabei erst im fertig la­ minierten Zustand getrocknet.
Es können auch beide Teilmembranen vor ihrer Verbindung zur Membranelektrodeneinheit mit Katalysator beschichtet werden. Durch die Einlaminierung einer Katalysatorschicht in den Mem­ branelektrolyten wird eine Membranelektrodeneinheit herge­ stellt, die das Konzept der inkorporierten Platin-Partikel für ein technische Massenproduktion tauglich macht. Die Mem­ branelektrodeneinheit umfaßt einen Membranelektrolyten, in den zumindest eine Katalysatorschicht einlaminiert ist, so daß innerhalb der Membran durch Rekombination der Reaktions­ gase H2 und O2 Wasser gezielt erzeugt werden kann.

Claims (4)

1. Membranelektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle, die Wasser zur Befeuchtung aus der Rekombination der Reaktionsga­ se innnerhalb Membran gewinnt, wobei die Membran zumindest eine lokalisierte Katalysatorschicht, an der die Rekombinati­ on stattfindet, umfaßt.
2. Membranelektrodeneinheit nach Anspruch 1, der hygroskopische Partikel zugesetzt sind.
3. Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodeneinheit mit einer Katalysatorschicht, bei dem die Membran aus zumin­ dest zwei Teilmembranen gebildet wird, wobei in einem ersten Arbeitsschritt auf zumindest eine Teilmembran eine Katalysa­ torschicht aufgebracht wird, und dann in einem zweiten Ar­ beitsschritt eine weitere Teilmembran mit der ersten lami­ niert wird.
4. Brennstoffzellenbatterie, die selbstbefeuchtend ist und die eine Membranelektrodeneinheit einer Brennstoffzelle um­ faßt, die eine Katalysatorschicht innerhalb der Membran hat.
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