WO2001065622A1 - Brennstoffzellenmembran mit sprerrschicht - Google Patents
Brennstoffzellenmembran mit sprerrschicht Download PDFInfo
- Publication number
- WO2001065622A1 WO2001065622A1 PCT/DE2001/000575 DE0100575W WO0165622A1 WO 2001065622 A1 WO2001065622 A1 WO 2001065622A1 DE 0100575 W DE0100575 W DE 0100575W WO 0165622 A1 WO0165622 A1 WO 0165622A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- fuel cell
- cell membrane
- middle layer
- layers
- protons
- 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.)
- Ceased
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1067—Polymeric electrolyte materials characterised by their physical properties, e.g. porosity, ionic conductivity or thickness
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0289—Means for holding the electrolyte
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
- H01M8/1023—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having only carbon, e.g. polyarylenes, polystyrenes or polybutadiene-styrenes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
- H01M8/1025—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having only carbon and oxygen, e.g. polyethers, sulfonated polyetheretherketones [S-PEEK], sulfonated polysaccharides, sulfonated celluloses or sulfonated polyesters
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1039—Polymeric electrolyte materials halogenated, e.g. sulfonated polyvinylidene fluorides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1041—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
- H01M8/1046—Mixtures of at least one polymer and at least one additive
- H01M8/1048—Ion-conducting additives, e.g. ion-conducting particles, heteropolyacids, metal phosphate or polybenzimidazole with phosphoric acid
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1058—Polymeric electrolyte materials characterised by a porous support having no ion-conducting properties
- H01M8/1062—Polymeric electrolyte materials characterised by a porous support having no ion-conducting properties characterised by the physical properties of the porous support, e.g. its porosity or thickness
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Die Erfindung stellt eine Brennstoffzellenmembran (10) zur Verfügung, die den Durchtritt von Kohlenmonoxid oder anderer unerwünschter Verunreinigungen verhindert. Diese Brennstoffzellenmembran weist zwei äussere, katalytisch aktive Schichten (1, 2) und eine mittlere Schicht (3) auf, die erfindungsgemäss aus einem Material gebildet ist, welches selektiv durchlässig für Protonen ist. Dabei kann die mittlere Schicht enthalten: - ein Trägermaterial (8), das zum Protonentransport fähig ist und -ein zweites Material (9), das für Protonen selektiv permeabel und für vorgegebene Ausschlussstoffe impermeabel ist, wobei das zweite Material so im Trägermaterial angeordnet ist, dass die Diffusion von Ausschlussstoffen durch die mittlere Schicht hindurch unterbunden oder zumindest stark vermindert ist.
Description
Zur Erklärung der Zweibuchstaben-Codes, und der anderen Abkürzungen wird auf die Erklärungen ("Guidance Notes on Codes and Abbreviations") am Anfang jeder regulären Ausgabe der PCT-Gazette verwiesen.
Brennstoffzellenmembran mit Sperrschicht
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenmembran mit zwei katalytisch aktiven Schichten und einer mittleren, für Protonen selektiv permeablen Schicht
In heutigen Brennstoffzellen lauft eine Oxidation von Wasserstoff bei niedriger Temperatur unter Gewinnung elektrischer Energie an einer Membran ab Auf der einen
Seite der Membran befindet sich der Wasserstoff, beziehungsweise ein geeigneter Wasserstoff enthaltender Brennstoff wie Methanol, auf der anderen Seite der Membran (Kathodenseite) wird das Oxidationsmittel, z B Luft zugeführt Der Wasserstoff wird in ein Proton und ein Elektron gespalten Die solcherart entstandenen Elektronen bauen ein elektrisches Potential gegenüber der anderen Seite der Membran auf, das zur
Stromerzeugung genutzt wird Die Protonen treten durch die Membran hindurch und reagieren mit dem Luftsauerstoff unter Elektronenzufuhr zu Wasser
Bei sogenannten Direktmethanolzellen befindet sich auf der Wasserstoffseite eine Methanolquelle, aus der der Wasserstoff wahrend der katalytischen Reaktion freigesetzt wird Bei Direktmethanolzellen tritt das Problem auf, daß auf der Anodenseite durch die Reduktion des Methanols Kohlenmonoxid als Nebenreaktionsprodukt auftritt Neben dem Wasserstoff diffundiert auch dieses Kohlenmonoxid durch die Membran durch und behindert an der Kathodenseite die Oxidatioπsreaktion Dies fuhrt zu einer Verminderung der Ausbeute an elektπscher
Energie und beeinträchtigt damit in negativer Weise die Kosten- und Energiebilanz der Brennstoffzelle
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Brennstoffzellenmembran zur Verfügung zu stellen, die den Durchtritt von Kohlenmonoxid oder anderer unerwünschter Verunreinigungen verhindert.
Diese Aufgabe wird gelost durch eine Brennstoffzellenmembran gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefugten Zeichnungen
Die derzeit verwendeten Brennstoffzellenmembranen bestehen aus einer mittleren Schicht, beispielsweise aus einem Polymer, die zum Protonentransport fähig ist sowie aus zwei auf beiden Seiten der mittleren Schicht angeordneten katalytisch aktiven Schichten Die mittlere Schicht ist auf Grund von physikalischen Limitationen der bisher verwendeten Werkstoffe nicht in der Lage, als Sperrschicht für Kohlenmonoxid zu dienen Der vorliegenden Erfindung liegt daher der Gedanke zu Grunde, den Aufbau der Brennstoffzellenmembran bezüglich ihrer mittleren Schicht so zu modifizieren daß sie aus einem Material besteht oder im Sinne eines Verbundwerkstoffs zusätzlich ein Material enthalt, das in der Lage ist, unerwünschte Stoffe, im folgenden
Ausschlußstoffe genannt, am Durchtritt durch die Membran zu hindern
Die vorliegende Erfindung ist damit gerichtet auf eine Brennstoffzellenmembran mit zwei äußeren, katalytisch aktiven Schichten und einer mittleren Schicht, die selektiv durchlassig für Protonen ist
Vorzugsweise ist die mittlere Schicht aus einem Verbundwerkstoff gebildet, welcher ein Tragermaterial, das zum Protonentransport fähig ist, und ein zweites Mateπal enthalt das für Protonen selektiv permeabel und für vorgegebene Ausschlußstoffe impermeabel ist, wobei das zweite Material so im Tragermaterial angeordnet ist, daß die Diffusion von Ausschlußstoffen durch die mittlere Schicht hindurch stark vermindert oder unterbunden ist Bezuglich der Ausgestaltung der mittleren Schicht, beziehungsweise der Anordnung der verschiedenen Materialien in der mittleren Schicht, sind unterschiedliche Ausfuhruπgsformen möglich
Wie oben ausgeführt, ist besonders der Durchgang von Kohlenmonoxid durch die Brennstoffzellenmembran bei im Stand der Technik bekannten Brennstoffzellen ein Problem bezuglich der Ausbeute und Effizienz der Brennstoffzellen Daher istKohlenmonoxid ein besonders wichtiger Ausschlußstoff Es ist jedoch vorstellbar daß auch andere Stoffe als Ausschlußstoffe behandelt werden müssen, sofern sich erweist, daß deren Durchtritt durch die Brennstoffzellenmembran den Prozeß in nachteiliger Weise beeinträchtigt
4
Das in der mittleren Schicht der erfiπdungsgemaßen Brennstoffzelleπmembran verwendete Tragermateπal ist üblicherweise ein Polymer Eine Voraussetzung für die Eigung des Polymers ist, daß dieses zum Protonentransport fähig ist Es muß in der Lage sein, die auf der einen Seite der Brennstoffzellenmembran freigesetzten Protonen durch die Membran hindurchzutransportieren, um sie auf der anderen Seite dem Oxidationsprozeß zugänglich zu machen Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können viele Materialien verwendet werden, die dem Fachmann einschlagig bekannt sind Beispielsweise kann die Polymermembran gebildet sein aus Nation (TM) der Fa DuPont, Polyetherketonen oder anderen protonenleitenden, gasdichten Polymeren
Die vorliegende Erfindung ermöglicht den gezielten Ausschluß unerwünschter Stoffe auf der Kathodenseite der Brennstoffzeilenmembran Die erfindungsgemaßen Brennstoffzellenmembranen sind einfach herzustellen und verbessern die Effizienz der Brennstoffzellen maßgeblich
Im folgenden sollen verschiedene bevorzugte Ausfuhrungsformen vorgestellt und erläutert werden Hierbei wird auf die beigefugten Zeichnungen Bezug genommen, in denen als Schnittbilder jeweils konkrete Ausfuhrungsformen beispielhaft vorgestellt werden Hierbei ist folgendes dargestellt
Figur 1 zeigt eine Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung, bei der flache
Partikel in der mittleren Schicht eingelagert sind
Figur 2 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform der Erfindung mit einer laminierten mittleren Schicht, Figur 3 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung mit einer zentral angeordneten Ausschlußschicht
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung ist die Brennstoffzellenmembran dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schicht eine Dicke D hat ein Tragermateπal aufweist das für Protonen durchlassig ist und ein zweites Material aufweist, das für Protonen selektiv permeabel und für vorgegebene
Ausschlußstoffe impermeabel ist, wobei das zweite Material so im Tragermateπal angeordnet ist, daß Ausschlußstoffe einen Permeationsweg durch die mittlere Schicht nehmen müssen, der wesentlich langer als D ist, wahrend die Protonen einen Permeationsweg durch die mittlere Schicht nehmen können, der im wesentlichen gleich D ist
Vorzugsweise ist der Weg, den die Ausschlußstoffe durch das Tragermaterial nehmen müssen, zumindest doppelt so lang wie D, bevorzugt zumindest zehmal so lang wie D besonders bevorzugt zumindest 50 mal so lang wie D, insbesondere zumindest einhundertmal langer als D und beipielsweise 50 - 100 mal langer als D
Durch die spezielle Anordnung des zweiten Materials (quer zur Diffusionrichtung der Protonen) wird erreicht, daß Ausschiußstoffe nicht auf direktem Wege (also nicht unmittelbar senkrecht zur Ebene der Membran) die Membran durchdringen können sondern einen Umweg nehmen müssen, da sie nicht in der Lage sind, das zweite
Material zu durchdringen Dieser Umweg fuhrt dazu, daß die individuelle Diffusion der Ausschlußstoffe zumindest entscheidend verlangsamt ist gegenüber der Diffusion der Protonen, so daß eine entsprechende Verbesserung der Ausbeute an elektrischer Energie erreichtwird
Im Idealfall baut sich im Inneren der mittleren Schicht ein Gefalle auf, das durch Sättigung ein weiteres Eindringen der Ausschlußstoffe in die mittlere Schicht vollständig verhindert und auf der anderen Seite der mittleren Schicht eine lediglich so
geringe Konzentration der Ausschlußstoffe enthalt, daß diese praktisch nicht mehr freigesetzt werden
Die mittlere Schicht der Brennstoffzellenmembran kann beispielsweise so ausgeführt sein, daß das zweite Material in Form von Partikeln vorliegt, die so angeordnet sind daß jede gedachte Gerade durch die mittlere Schicht zumindest ein Partikel, vorzugsweise eine Vielzahl von Partikeln des zweiten Materials schneidet Bei dieser bevorzugten Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Brennstoffzellenmembran werden also so viele für die vorbestimmten Ausschlußstoffe impermeable Partikel in die mittlere Schicht eingebracht, daß der direkte Durchtπttsweg, also eine gerade Linie zwischen den beiden Oberflachen der mittleren Schicht, möglichst mehrfach unterbrochen ist Die Ausschlußstoffe müssen somit einen deutlich verlängerten Umweg um diese Partikel machen, um überhaupt durch die mittlere Schicht hindurchtreten zu können
Im Idealfall fuhrt dies dazu, daß Ausschlußstoffe die andere Seite der Membran gar nicht erreichen können Um diesen wünschenswerten Effekt zu verstarken, sollte das zweite Mateπal in Form von flachen Partikeln vorliegen, deren Flachseite im wesentlichen parallel zu den Oberflachen der mittleren 'Schicht liegen
Durch diese Anordnung laßt sich die von den Ausschlußstoffen zurückzulegende Wegstrecke besonders effektiv verlängern Die Partikel können beispielsweise eine Dicke von 20 nm bis 100 μm, vorzugsweise von 0 5 μm bis 10 μm, aufweisen, wahrend sie eine Breite und eine Lange von 1 mm bis 30 mm, vorzugsweise von 1 mm bis 5 mm haben können
Figur 1 zeigt im Querschnitt eine Brennstoffzellenmembran 10 gemäß einer ersten bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung Hierbei kennzeichnen die Bezugszeichen 1 und 2 die äußeren katalytisch aktiven Schichten der Membran 10 und das Bezugszeichen 3 die mittlere Schicht In einem Tragermateπal 4 sind flache Partikel 5 mit ihren Flachseiten parallel zu den Oberflachen der mittleren Schicht 3 angeordnet
7 im folgenden wird eine Möglichkeit zur Herstellung einer Membran gemäß der obigen allgemeinen Ausfuhrungsform erläutert Bezüglich der Vorteile, Wirkungen und Effekte wird auf das oben gesagte verwiesen
Zur Herstellung der Brennstoffzellenmembran gemäß der oben allgemein vorgestellten Ausfuhrungsform kann beispielsweise eine mittlere Schicht in Form einer Folie bereitgestellt werden, auf weiche die beiden äußeren Schichten auflaminiert werden Zur Herstellung der mittleren Schicht kann beispielsweise ein Verfahren verwendet werden, daß folgende Schritte aufweist
- Bereitstellen einer Schmelze oder Losung eines für den Protonentransport geeigneten poiymeren Tragermaterials,
- Einmischen von Partikeln eines zweiten Materials, die für Protonen selektiv durchlassig sind und eine Form mit zwei Flachseiten aufweisen - Herstellen einer Folie aus dem Gemisch und
- Recken der Folie, so daß sich die Partikel aus dem zweiten Material in der Folie so ausrichten, daß ihre Flachseiten im wesentlichen parallel zu den Oberflachen der Folie liegen
Durch dieses Verfahren kann eine Folie zur Verwendung als mittlere Schicht erhalten werden in der das zweite Material 5 so angeordnet ist, daß ein direkter Durchtritt von Ausschlußstoffen durch das zweite Material verhindert wird Durch die Orientierung der Flachseiten des zweiten Materials in Richtung der Oberflächen der mittleren Schicht wird eine Oberflachenmaximierung des zweiten Materials bezuglich der Permeation von Stoffen erreicht
Bei diesem Verfahren kann von einer Schmelze oder von einer Losung des Tragermateπals ausgegangen werden Demzufolge muß auch das Herstellverfahren der mittleren Schicht dem Ausgangsmatenal angepaßt sein Bei Verwendung einer Schmelze bietet sich beispielsweise ein Extrusioπsverfahren an Alternativ kann auch ein Gießverfahren angewendet werden Bei Verwendung einer Losung muß ein Herstellverfahren gewählt werden, bei dem das Lösungsmittel entfernt werden kann
8
Unter dem Recken der Folie wird ein Verfahren verstanden, bei dem die Oberflache der ursprünglichen Folie durch Dehnen der Gesamtfo e in Richtung des Mateπallaufs gegebenenfalls auch in Querrichtung des Mateπallaufs, vergrößert und damit die Dicke der Folie verringert wird
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist die Dicke der gereckten Folie, die als mittlere Schicht eingesetzt werden soll, kleiner als Lange und Breite der verwendeten Partikel Auf diese Weise wird besonders sichergestellt, daß die Partikel mit ihren Flachseiten parallel zu den Oberflachen der mittleren Schicht ausgerichtet werden
Ein weiteres mögliches Verfahren zur Herstellung einer mittleren Schicht, für dessen Vorteile, Wirkungen und Effekte wiederum auf das oben gesagte Bezug genommen wird weist folgende Schritte auf
A Bereitstellen einer Folie aus einem Tragermateπal als Basisfolie,
B Aufbringen einer Schicht von verflüssigtem oder gelöstem Tragermateπal auf die
Basisfolie, C Aufbringen von Partikeln eines zweiten Materials auf die Schicht und D Verfestigen oder Trocknen der Schicht, wobei die Schritte B bis D mehrmals durchgeführt werden
Die Verwendung von gelöstem Tragermateπal zum Aufbπngen auf eine Basisfolie hat den Vorteil, relativ leicht handhabbar zu sein, da nicht gegebene Verfestigungstemperaturen der verwendeten Materialien beim Aufbπngen auf die Folie berücksichtigt werden müssen Grundsatzlich ist es möglich, geschmolzenes
Tragermateπal auf eine solche Basisfolie aufzubringen, sofern die Folie und die Schmelze jeweils eine geeignete Temperatur haben, um einerseits eine sofortige Verfestigung des aufgebrachten Materials und andererseits ein Schmelzen der Folie durch das aufgebrachte Mateπalzu verhindern Das Aufbringen der Schicht von Tragermateπal kann beispielsweise mittels eines Lackspritzprozesses erfolgen, das
Aufbringen der Partikel durch ein Streuverfahren
9
Das Beschichten der Folie mit dem zweiten Material kann in vorbekannter Weise mit Hilfe eines Dunnschichtverfahrens erfolgen (wie z B S puttern, Bedampfen, CVD- Prozess)
Das Laminieren der Lagen erfolgt ebenfalls in dem Fachmann gelaufiger Art und
Weise, beispielsweise durch Druck bei gleichzeitigem Erhitzen
Vorzugsweise werden die Schritte B bis D zumindest zweimal durchgeführt, besonders bevorzugt zumindest fünfmal, beispielsweise zehnmal Auch hier ist das Tragermateπal zumindest für Protonen und das zweite Mateπal selektiv für Protonen durchlassig
Vorzugsweise weist die Folie des Tragermateπals, die als Grundtrager dient, eine Dicke von 5 μm bis 1 mm, besonders bevorzugt von 50 μm bis 500 μm, beispielsweise von 100 μm bis 200 μm auf Die aufgebrachten Schichten des Tragermateπals weisen vorzugsweise eine Dicke von 5 μm bis 1 mm, besonders bevorzugt von 50 μm bis 500 μm, beispielsweise von 100 μm bis 200 μm auf
In einer anderen Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Brennstoffzellen ist die mittlere Schicht aus einem Verbundwerkstoff gebildet, der eine Mehrzahl von Schichten eines Tragermateπals, das für Protonen durchlassig ist, und eine Mehrzahl von Schichten eines zweiten Materials aufweist, das für Protonen selektiv permeabel und für vorgegebene Ausschlußstoffe impermeabel ist wobei die Schichten des zweiten Materials zwischen den Schichten des Tragermateπals abwechselnd angeordnet sind Es handelt sich bei den Schichten des zweiten Materials um weitgehend durchgangige, d h geschlossene Schichten
Auf diese Weise wird eine Vielzahl von Schichten erreicht, die den Ausschiußstoff nicht passieren lassen Selbst wenn auf Grund der in einer Brennstoffzelle auftretenden thermischen Unterschiede die Schichten dieses zweiten Materials reißen sollten da sie sich in ihrem Ausdehnungskoeffizienten von den Schichten des ersten Materials unterscheiden, sind noch genügend Überlappungen vorhanden, um die Permeation des vorgegebenen Ausschlußstoffes ähnlich wie in der Variante mit dem partikelformigeπ zweiten Material zu verhindern Im Endeffekt sieht also selbst eine thermisch beschädigte mittlere Schicht gemäß dieser bevorzugten Ausfuhrungsform
10 nicht wesentlich anders aus, als die gemäß Figur 1 gezeigte Ausfuhrungsform Vorzugsweise weisen die Schichten des Tragermaterials eine Dicke von 5 μm bis 1 mm, besonders bevorzugt von 50 μm bis 500 μm, beispielsweise von 100 μm bis 200 μm auf, wahrend die Schichten des zweiten Materials eine Dicke von 20 nm bis 10 μm, vorzugsweise von 0,5 μm bis 1 μm, haben können
Figur 2 zeigt beispielhaft eine Brenπstoffzellenmembran 10 gemäß dieser bevorzugten Ausfuhruπgsform der vorliegenden Erfindung Eine mittlere Schicht 3 liegt zwischen zwei katalytisch aktiven Schichten 1 und 2 , die in diesem Fall aus sechs Schichten eines Tragermateπals 6 und fünf geschlossenen Schichten eines zweiten Materials 7 besteht, das für Protonen selektiv permeabel und für vorgegebene Ausschlußstoffe impermeabel ist
Auch wenn die Schichten 7 in der Zeichnung als durchgehend dargestellt sind, kann es im tatsächlichen Einsatz durchaus vorkommen, daß in den Schichten Risse auftreten
Solche Risse beeinträchtigen jedoch nicht wesentlich die Funktion der Gesamtmembran, da mehrere Schichten 7 des zweiten Materials übereinander liegen
Das zweite Material 7 gemäß den obigen Ausfuhruπgsformen kann beispielsweise ein Metall sein Bevorzugte Metalle sind Palladium, Tantal, Niob, Vanadium und
Legierungen dieser Metalle untereinander und/oder mit anderen Metallen Insbesondere wird eine Palladium-Silberlegierung als zweites Material bevorzugt
Das zweite Material kann auch ein für Protonen selektiv permeables Polymer oder eine andere organische Verbindung sein
Im folgenden soll eine Möglichkeit zur Herstellung einer Membran gemäß der Erfinduπgsvaπante mit durchgehenden Schichten des zweiten Materials 7 erläutert werden Bezüglich der Vorteile, Wirkungen und Effekte wird auf das oben gesagte verwiesen
Zur Herstellung der mittleren Schicht in dieser Ausfuhruπgsform kann ein Verfahren verwendet werden welches die folgenden Schritten aufweist
11 a Bereitstellen einer Folie aus einem für den Protonentransport geeigneten Tragermateπal, b Beschichten der Folie mit einem zweiten Material, das für Protonen selektiv durchlassig ist, c Laminieren mehrerer Lagen der in Schritt b erhaltenen Doppelschichtfo e aufeinander
Vorzugsweise werden zumindest zwei Lagen, besonders bevorzugt zumindest fünf, beispielsweise zumindest 10 Lagen der Doppelschichtfohe aufeinander laminiert
Die Schichten des Tragermaterials können vorzugsweise eine Dicke von 5 μm bis 1 mm besonders bevorzugt von 50 μm bis 500 μm, beispielsweise von 100 μm bis 200 μm aufweisen, wahrend die Schichten des zweiten Materials vorzugsweise eine Dicke von 20 nm bis 10 μm, besonders bevorzugt von 0,5 μm bis 1 μm aufweisen
In einer weiteren, einfacheren Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung kann die mittlere Schicht zwei Schichten eines für den Protonentransport geeigenten Tragermateπals und eine dazwischen angeordnete Schicht aus einem zweiten Material aufweisen, das für Protonen selektiv permeabel und für vorgegebene Ausschlußstoffe impermeabel ist Bei dieser Ausfuhrungsform wird also lediglich eine Schicht eines sperrenden Mateπals verwendet Auch hier kann das zweite Material ein Metall oder ein für Protonen selektiv permeables Polymer sein Bevorzugte Metalle sind wiederum Palladium, Tantal, Niob, Vanadium und Legierungen dieser Metalle mit anderen Metallen, insbesondere eine Palladium- Silberlegierung
Figur 3 zeigt eine Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung, bei der eine mittlere Schicht 3 zwischen katalytisch aktiven Schichten 1 und 2 gefaßt ist, und zwei Diffusionsschichten 8 sowie eine Membran aus einem zweiten Material 9 aufweist
Im folgenden soll eine Möglichkeit zur Herstellung einer Membran gemäß dieser Variante der Erfindung erläutert werden Bezüglich der Vorteile, Wirkungen und Effekte wird auf das oben gesagte verwiesen Die Herstellung der mittleren Schicht bei dieser Ausfuhruπgsform der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise durch Laminieren
12
dreier Schichten von Material aufeinander geschehen Alternativ kann auch eine Schicht des Tragermateπals mit dem gewünschten zweiten Material, beispielsweise einem Metall, bedampft werden, um dann mit einer weiteren Schicht des Tragermateπals laminiert zu werden
13
Bezugszeichenliste
1. 2 äußere, katalytisch aktive Schichten
3 mittlere Schicht
4 Tragermateπal
5 flache Partikel/zweites Mateπal
Tragermateπal
7 Schichten des zweiten Materials
8 Diffusionsschichten
Membran aus zweitem Material
10 Brennstoffzellenmembran
Claims
14 Patentansprüche
1 Brennstoffzellenmembran (10) mit zwei äußeren, katalytisch aktiven Schichten (1 ,
2) und einer mittleren Schicht (3), die selektiv durchlassig für Protonen ist
Brennstoffzelleπmembran (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schicht (3) aus einem Verbundwerkstoff gebildet ist, welcher enthalt
- ein Tragermaterial (4, 6, 8), das zum Protoπentransport fähig ist, und
- ein zweites Material (5, 7, 9), das für Protonen selektiv permeabel und für vorgegebene Ausschlußstoffe impermeabel ist, wobei das zweite Material so im Tragermaterial (4, 6, 8) angeordnet ist, daß die Diffusion von Ausschlußstoffen durch die mittlere Schicht (3) hindurch stark vermindert oder unterbunden ist
Brennstoffzellenmembran (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schicht (3) eine Dicke D und das zweite Material (5) so im Tragermateπal (4) angeordnet ist, daß Ausschlußstoffe einen Permeationsweg durch die mittlere Schicht (3) nehmen müssen, der wesentlich langer als D ist, wahrend die Protonen einen Permeationsweg durch die mittlere Schicht (3) nehmen können, der im wesentlichen gleich D ist
Brenπstoffzellenmembran (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg, den die Ausschlußstoffe durch das Tragerateπal (4) nehmen müssen, zumindest doppelt so groß, insbesondere zumindest zehnmal oder zumindest 50 mal oder zumindest 100 mal so groß ist wie D
Brennstoffzellenmembran (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material (5) in Form von Partikeln vorliegt, die so angeordnet sind, daß jede gedachte Gerade durch die mittlere Schicht (3) zumindest ein Partikel des zweiten Materials (5) schneidet
15
Brennstoffzellenmembran (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material (5) in Form von flachen Partikeln vorliegt, deren Flachseiten im wesentlichen parallel zu den Oberflachen der mittleren Schicht
(3) liegen
Brennstoffzellenmembran (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel eine Dicke von 20 nm bis 100 μm aufweisen
Brennstoffzellenmembran (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel eine Breite und Lange von 1 mm bis 30 mm, insbesondere von 1 mm bis 5 mm, aufweisen
Brennstoffzelleπmembran (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schicht (3) aus einem Verbundwerkstoff gebildet ist, welcher eine Mehrzahl von Schichten eines Tragermateπals (6), das für Protonen durchlassig ist, und eine Mehrzahl von durchgehenden
Schichten eines zweiten Materials (7) aufweist, das für Protonen selektiv permeabel und für vorgegebene Ausschlußstoffe impermeabel ist, wobei die Schichten des zweiten Materials (7) und die Schichten des Tragermateπals (6) abwechselnd angeordnet sind
Brennstoffzellenmembran (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten des Tragermateπals (6) eine Dicke von 5 μm bis 1 mm aufweisen
Brennstoffzellenmembran (10) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten des zweiten Materials (7) eine Dicke von 20 nm bis 10 μm aufweisen
16
Brennstoffzelleπmembran (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schicht (3) zumindest zwei Schichten des Tragermateπais (8) und zumindest eine dazwischen angeordnete Schicht aus dem zweiten Material (9) aufweist
Brennstoffzellenmembran (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material (7, 9) ein Metali ist
Brennstoffzelleπmembran (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall ausgewählt ist aus Palladium Tantal, Niob Vanadium, und Legierungen dieser Metalle untereinander und/oder mit anderen Metallen
Brennstoffzellenmembran (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall eine Palladium-Silberlegierung ist
Brennstoffzellenmembran (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material (7, 9) ein Polymer ist
Brennstoffzellenmembran (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschlußstoffe Kohlenmonoxid umfassen
Breπnstoffzellenmembran (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragermateπal (4, 6, 8) ein zum Protonentransport fähiges Polymer enthalt Breππstoffzellenmembran (10) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer ausgewählt ist aus Nafion und Polyetherketonen
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE10010399.5 | 2000-02-28 | ||
| DE10010399A DE10010399A1 (de) | 2000-02-28 | 2000-02-28 | Brennstoffzellenmembran mit Sperrschicht |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2001065622A1 true WO2001065622A1 (de) | 2001-09-07 |
Family
ID=7633379
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/DE2001/000575 Ceased WO2001065622A1 (de) | 2000-02-28 | 2001-02-12 | Brennstoffzellenmembran mit sprerrschicht |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE10010399A1 (de) |
| WO (1) | WO2001065622A1 (de) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006044845A1 (en) * | 2004-10-18 | 2006-04-27 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Fuel cell apparatus and method of manufacture thereof |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10115927A1 (de) * | 2001-03-30 | 2002-10-10 | Creavis Tech & Innovation Gmbh | Elektrolytmembran, diese umfassende Membranelektrodeneinheiten, Verfahren zur Herstellung und spezielle Verwendungen |
| DE10205852A1 (de) * | 2002-02-13 | 2003-08-21 | Creavis Tech & Innovation Gmbh | Elektrolytmembran mit Diffusionsbarriere, diese umfassende Membranelektrodeneinheiten, Verfahren zur Herstellung und spezielle Verwendungen |
| CN107210468B (zh) | 2015-04-08 | 2021-02-12 | 株式会社Lg化学 | 聚合物电解质膜、电化学电池和液流电池、聚合物电解质膜的制备方法以及液流电池电解液 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998021777A1 (de) * | 1996-11-11 | 1998-05-22 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Elektroden-elektrolyt-einheit für eine brennstoffzelle |
| DE19734634C1 (de) * | 1997-08-11 | 1999-01-07 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Brennstoffzelle zur direkten Verstromung von Methanol |
| US5919583A (en) * | 1995-03-20 | 1999-07-06 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Membranes containing inorganic fillers and membrane and electrode assemblies and electrochemical cells employing same |
| DE19859765A1 (de) * | 1998-12-23 | 2000-06-29 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Elektroden-Elektrolyt-Einheit für eine Brennstoffzelle |
-
2000
- 2000-02-28 DE DE10010399A patent/DE10010399A1/de not_active Withdrawn
-
2001
- 2001-02-12 WO PCT/DE2001/000575 patent/WO2001065622A1/de not_active Ceased
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5919583A (en) * | 1995-03-20 | 1999-07-06 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Membranes containing inorganic fillers and membrane and electrode assemblies and electrochemical cells employing same |
| WO1998021777A1 (de) * | 1996-11-11 | 1998-05-22 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Elektroden-elektrolyt-einheit für eine brennstoffzelle |
| DE19734634C1 (de) * | 1997-08-11 | 1999-01-07 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Brennstoffzelle zur direkten Verstromung von Methanol |
| DE19859765A1 (de) * | 1998-12-23 | 2000-06-29 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Elektroden-Elektrolyt-Einheit für eine Brennstoffzelle |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006044845A1 (en) * | 2004-10-18 | 2006-04-27 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Fuel cell apparatus and method of manufacture thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE10010399A1 (de) | 2001-09-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0966770B2 (de) | Membran-elektrodeneinheit mit integriertem dichtrand und verfahren zu ihrer herstellung | |
| EP3201126B1 (de) | Membran-elektroden-anordnung, reaktor umfassend die membran-elektroden-anordnung und verfahren zur abtrenung von wasserstoff | |
| EP1396039A2 (de) | Brennstoffzelle und verfahren zur herstellung einer solchen brennstoffzelle | |
| DE60307277T2 (de) | Anodengestützte brennstoffzelle | |
| EP1051768B1 (de) | Brennstoffzelle mit einem protonenleitfähigen elektrolyten | |
| DE102016122590A1 (de) | Polarplatte für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel | |
| DE102015207455A1 (de) | Bipolarplatte mit unterschiedlich dicken Halbplatten und Brennstoffzellenstapel mit einer solchen | |
| WO2003038935A1 (de) | Mikrobrennstoffzellensystem | |
| EP1278258B1 (de) | Brennstoffzelleneinheit und Brennstoffzellenblockverbund | |
| WO2001065622A1 (de) | Brennstoffzellenmembran mit sprerrschicht | |
| EP3652798B1 (de) | Brennstoffzellenplatte, bipolarplatte und brennstoffzellenaufbau | |
| DE10135336C1 (de) | Brennstoffzelleneinheit für einen Brennstoffzellenblockverbund | |
| EP3329535B1 (de) | Membran-elektroden-einheit einer brennstoffzelle und herstellungsverfahren | |
| WO2022106317A1 (de) | Verfahren zur herstellung einer membranelektrodenanordnung | |
| DE102020114960A1 (de) | Herstellungsverfahren für eine Brennstoffzelle | |
| EP3939109B1 (de) | Brennstoffzellenaufbau, brennstoffzellensystem und brennstoffzellenfahrzeug | |
| DE102019002310A1 (de) | Separatorplatte für eine Brennstoffzelle | |
| DE102021200837A1 (de) | Mehrlagiges Beschichtungssystem, insbesondere zur Anbringung an einer Brennstoffzelle, sowie Brennstoffzelle mit einem derartigen Beschichtungssystem | |
| DE102008049694A1 (de) | Tubulare Hochtemperatur-Brennstoffzelle, damit aufgebaute Brennstoffzellenanlage und Verfahren zu deren Herstellung | |
| WO2014131549A1 (de) | Brennstoffzellensystem | |
| WO2016120233A1 (de) | Verfahren zur herstellung einer katalytisch beschichteten membran sowie membran-elektroden-einheit und brennstoffzellenstapel mit einer solchen | |
| DE102018204816A1 (de) | Brennstoffzellenaufbau | |
| EP2913877B1 (de) | Direkt-Alkohol-Brennstoffzelle und Direkt-Alkohol-Brennstoffzellenstapel mit effektiver CO2-Entfernung sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Direkt-Alkohol-Brennstoffzelle | |
| DE10010396A1 (de) | Kompositmembran zur selektiven Diffusion von Stoffen und Verfahren zu ihrer Herstellung | |
| DE102020211640A1 (de) | Brennstoffzelle für eine Brennstoffzelleneinrichtung, Brennstoffzelleneinrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AK | Designated states |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): US |
|
| AL | Designated countries for regional patents |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE TR |
|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | ||
| DFPE | Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101) | ||
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |