WO2009074282A1 - Brennstoffzelle, protonen leitende membran, membran-elektroden- einheit, verwendungen von lonomeren und kit - Google Patents

Brennstoffzelle, protonen leitende membran, membran-elektroden- einheit, verwendungen von lonomeren und kit Download PDF

Info

Publication number
WO2009074282A1
WO2009074282A1 PCT/EP2008/010425 EP2008010425W WO2009074282A1 WO 2009074282 A1 WO2009074282 A1 WO 2009074282A1 EP 2008010425 W EP2008010425 W EP 2008010425W WO 2009074282 A1 WO2009074282 A1 WO 2009074282A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
membrane
ionomer
ionomers
cell according
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
Application number
PCT/EP2008/010425
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Bauer
Michael Jeske
Norbert Rischer
Michael Schuster
Wei Zhang
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuma-Tech Gesellschaft fur Funktionelle Membranen und Anlagentechnologie Mbh
Original Assignee
Fuma-Tech Gesellschaft fur Funktionelle Membranen und Anlagentechnologie Mbh
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuma-Tech Gesellschaft fur Funktionelle Membranen und Anlagentechnologie Mbh filed Critical Fuma-Tech Gesellschaft fur Funktionelle Membranen und Anlagentechnologie Mbh
Priority to EP08859086.4A priority Critical patent/EP2229703B1/de
Priority to DK08859086.4T priority patent/DK2229703T3/en
Publication of WO2009074282A1 publication Critical patent/WO2009074282A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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
    • H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
    • H01M8/1032—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having sulfur, e.g. sulfonated-polyethersulfones [S-PES]
    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • 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
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • 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
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0082—Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0088—Composites
    • H01M2300/0094—Composites in the form of layered products, e.g. coatings
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell having a proton-conducting membrane of an ionomer having acidic groups, a membrane thereof, a corresponding membrane-electrode assembly, various uses of the ionomer and a kit.
  • a PEM fuel cell usually consists of two electrodes that are separated by a proton-conducting membrane (Polymer Electrolyte Membrane or Proton Exchange Membrane). Gas diffusion layers are usually applied to the electrodes. This combined arrangement is referred to as a so-called membrane-electrode assembly (membrane electrode assembly, MEA).
  • MEA membrane electrode assembly
  • the proton-conducting membrane ensures that the circuit in the fuel cell remains closed by the membrane producing the ionic conductivity in the fuel cell.
  • the proton transfer through the membrane is usually carried out with the participation of acidic groups contained in the membrane material. The proto- However, nenleitmechanismus works only with sufficient presence of water in the membrane.
  • the present invention therefore has for its object to provide a fuel cell, which avoids the problems known from the prior art. Furthermore, the object of the invention is to provide a corresponding proton-conducting membrane, a membrane-electrode unit and various uses of ionomers.
  • the fuel cell or membrane or membrane-electrode unit should be able to be put into operation over an extended period of time, in particular in critical temperature ranges, without significant losses in efficiency.
  • a fuel cell with electrodes in the form of an anode and a cathode, between which a proton-conducting membrane of an acidic ionomer capable of attracting water which binds to the acidic groups, wherein between the region of the anode and the region of the cathode a gradient profile with respect to the water attractability of the ionomer is formed, such that the water attraction in the anode region is greater than in the cathode region.
  • the invention provides a fuel cell, in particular a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), having a gradient profile with respect to the water attractiveness of a proton-conducting ionomer.
  • the gradient profile preferably extends over the entire membrane electrode assembly (MEA) of the fuel cell.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the gradient profile provides with particular advantage for a sufficient water content during operation of the fuel cell and in particular supports the back diffusion of the water present in the membrane from the cathode to the anode. This maintains water-based proton transfer through the membrane. Overall, this contributes to a more stable running of the fuel cell and also advantageously increases its performance. This is particularly advantageous at elevated operating temperatures where membranes of conventional systems usually fall dry.
  • a particular advantage of the fuel cell according to the invention is therefore precisely that it can be operated even at critical temperature ranges, in particular between 90 and 130 0 C, and in particular with a partially significantly reduced relative humidity.
  • the gradient profile may be formed by different hydrophilic and / or hydrophobic properties of the ionomer.
  • the gradient profile is formed in particular by different hydrophilic and hydrophobic properties of the ionomer.
  • the membrane preferably has greater hydrophilicity on its anode side than on its cathode side. In other words, the membrane may be formed on its cathode side with particular advantage hydrophobic than on its anode side.
  • the differences in water attraction are formed at least in part by a different content of acidic groups, in particular in the ionomer.
  • different acidic groups can be combined.
  • Acid groups are basically carboxy, phosphonic acid and / or sulfonic acid groups, with sulfonic acid groups being particularly preferred.
  • the acid groups bind the water contained in the membrane.
  • the differences in water attraction are at least partially effected by the hydrophilicity and / or hydrophobicity of the ionomer affecting additives to the ionomers.
  • the ionomers on the anode side hydrophilic additives, in particular zeolites, and the ionomers on the cathode side hydrophobic additives, in particular Teflon have.
  • metal complexes are integrated into the membrane, in particular in their different layers, which catalyze additional water production by catalytic action.
  • This embodiment of the invention can also be realized on its own.
  • the metal complexes are preferably covalently bonded to the ionomer, in particular to polymer molecules thereof.
  • the metal complexes may in particular be embedded in the ionomer.
  • the metal complexes may be those typically used in the coating or vapor deposition of Have electrodes for use coming transition metals. Examples are platinum, ruthenium, nickel, cobalt, chromium and mixtures thereof, in particular platinum-ruthenium mixtures, platinum-nickel mixtures and platinum-cobalt mixtures.
  • the metal complexes may further be siloxane-based complexes.
  • the metal complexes are covalently bonded to the polymer molecules of the ionomer via suitable functional groups, for example hydroxy groups, halogen atoms and the like.
  • suitable functional groups for example hydroxy groups, halogen atoms and the like.
  • the ionomer may be an organosilicon polymer.
  • the ionomer can be present as a mixture or combination of different ionomers, in particular as an ionomer blend.
  • the ionomer is selected from the group consisting of sulfonated polysulfones (s-PS), sulfonated polysulfide sulfones (s-PSS), sulfonated polyether ketones (s-PEK), sulfonated polyetheretherketones (s-PEEK), sulfonated polyether ketone ketones (cf. PEKK), sulfonated polyetherether ketone ketones (s-PEEKK) and combinations thereof.
  • s-PS sulfonated polysulfones
  • s-PSS sulfonated polysulfide sulfones
  • s-PEK sulfonated polyether ketones
  • s-PEEK sulfonated polyether ketone ketones
  • cf. PEKK sulfonated polyetherether ketone ketones
  • Sulfonated polysulfones s-PS
  • s-PSS sulfonated polysulfide sulfones
  • the ionomer is a perfluorosulfonic acid polymer.
  • the gradient profile may be continuous and / or discontinuous. According to the invention, the gradient profile can be designed in particular continuously.
  • the water attraction capacity in the membrane decreases from one side to the other side, in particular from the anode side of the membrane to its cathode side, preferably continuously.
  • the gradient profile extends between the electrodes.
  • the previously described water train can be additionally reinforced in the direction of the anode side.
  • the gradient profile extends in the membrane, i. between the surfaces of the membrane through the membrane.
  • the membrane has at least two, in particular two to ten, layers.
  • the membrane can therefore be present as a multilayer membrane, for example as a so-called bilayer or trilayer membrane.
  • the layers preferably have a different water attraction, in particular different loading densities with respect to the acidic groups.
  • the membrane can have a thickness between 20 and 50 ⁇ m.
  • a dispersion, in particular solution, of the ionomer can be applied to a suitable substrate, for example onto a PET film (polyethylene terephthalate film). After a possibly required drying step, a further dispersion of the ionomer can be applied and then optionally dried again.
  • the membrane is usually provided on both sides with a catalytically active electrode (electrocatalyst layer).
  • the electrode is usually a mixture of a suitable carrier material, for example carbon, in particular in the form of carbon black, and a suitable catalyst.
  • the catalyst may for example be vapor-deposited on the carrier material.
  • the catalyst can be applied to the carrier material in the form of a paste or dispersion, for example by being knife-dried. Gas diffusion layers are usually applied to the electrodes.
  • the layer thickness of the electrodes can be a maximum of about 15 microns.
  • the electrode layer thickness is preferably ⁇ 15 ⁇ m, in particular ⁇ 2 ⁇ m.
  • the electrodes have ionomers which conduct the protons, in particular ionomers having acidic groups.
  • the electrodes themselves have a gradient profile with respect to the water attraction capacity of an ionomer.
  • the ionomers of the anode have a larger water attraction than the ionomers of the cathode.
  • this can be based on different hydrophilic or hydrophobic properties of the ionomers.
  • the differences are due to a different content of acidic groups of the anode and cathode ionomers.
  • the size profile in the electrodes is each made stronger than in the membrane.
  • the electrodes may, in particular, comprise a plurality of layers of proton-conducting ionomers, the layers preferably having a different water attraction. Regarding other properties and Details of the ionomers are referred to the previous description.
  • the electrodes have catalyst particles embedded in an ionomer.
  • the catalyst particles may be, for example, agglomerates of transition metals and suitable support materials, for example carbon.
  • the transition metals usually have a diameter in the nanometer range. For example, the diameter can see between 3 and 10 nm, in particular at about 5 nm lie.
  • the support materials themselves may be in particulate form. In the case of carbon, the support material may also be present in the form of nanotubes.
  • the diameter of particles of the carrier material can extend from the nanometer range to the micrometer range.
  • the catalyst particles can be embedded in the ionomer, in particular in ionomer particles.
  • the ionomer particles may have a diameter between 40 and 100 microns or larger.
  • the electrodes are assigned gas diffusion layers.
  • the gas diffusion layers may in particular be non-woven materials, for example carbon paper.
  • the gas diffusion layers advantageously ensure the most uniform possible distribution of the reactant gases on the membrane-electrode assembly and for the decrease of the electrons from the electrocatalyst layer.
  • the gradient profile extends between the gas diffusion layers of the fuel cell.
  • the gas diffusion layers have proton-conducting ionomers, in particular ionomers having no groups.
  • the gas diffusion layers themselves have a gradient profile with respect to the water attraction capacity of a nomers on.
  • the gas diffusion layers have a porous framework of ionomer.
  • the ionomer of the gas diffusion layer assigned to the anode preferably has a greater water attraction capacity than the ionomer of the gas diffusion layer assigned to the cathode.
  • the gas diffusion layers may, in particular, comprise a plurality of layers of proton-conducting ionomers, wherein the layers preferably have a different water attraction.
  • the gas diffusion layers themselves have electrocatalyst layers, ie the gas diffusion layers are formed in this embodiment as gas diffusion electrodes.
  • the gas diffusion layers may in principle have a thickness between 120 and 350 ⁇ m.
  • the fuel cell in particular components thereof, ionomers having different equivalent weights (EW) of acidic groups, based on the respective ionomer, on.
  • layers of gas diffusion layers on the anode side can have ionomers with an equivalent weight value (EW value) between 800 and 850, and ionomers with an EW value between 1050 and 1100 on the cathode side.
  • EW value is approximately equal inversely proportional to the content of acidic groups, in particular sulfonic acid groups.
  • the setting of such EW values per se is known to the person skilled in the art, so that further explanations on this are dispensed with.
  • the gradient profile, expressed in equivalent weights (EW) of acidic groups, in particular sulfonic acid groups preferably has an equivalent weight difference of at least 10%, in particular at least 20%, based on the lower equivalent weight monomer.
  • the fuel cell according to the invention lies in another embodiment in the form of a fuel cell stack, a so-called Stacks, before. In this way, technically usable voltages can be generated in a convenient manner.
  • the invention further relates to a membrane of at least two monomers with different water attraction, wherein the water attraction capacity of the membrane changes from one side to the other.
  • Another aspect of the invention relates to a membrane-electrode assembly (MEA) comprising at least two ionomers having different water attractions, wherein the water-absorbing capacity of the membrane-electrode assembly changes from one side to the other.
  • MEA membrane-electrode assembly
  • a further aspect of the invention relates to the use of ionomers having different water attraction properties for producing at least components of fuel cells with a gradient profile.
  • the components may be proton-conducting membranes, electrodes, gas diffusion layers and / or membrane electrode units, so-called MEAs 1 .
  • the invention encompasses the use of ionomers having different water attraction properties for the production of fuel cells.
  • the invention also relates to the use of ionomers having different water attractiveness for producing membranes having a different water attraction on both sides.
  • the present invention relates to the use of ionomers having different water attractiveness for the production of electrodes having different water attractions, especially for fuel cells.
  • the invention relates to the use of ionomers having different water attraction properties for the production of gas diffusion layers, in particular re Gasdiffusionselektroden, with different water attraction.
  • the ionomers may be in the form of solutions, pastes, powders and / or membranes.
  • the invention also relates to a kit of at least two ionomers with different water attraction properties for producing at least components of fuel cells with a gradient profile of water attraction properties.
  • the ionomers may be in the form of solutions, pastes, powders and / or membranes.
  • FIG. 1 shows the structure of a membrane electrode assembly (MEA) of a PEMFC
  • FIG. 2 shows the polarization curve of an MEA with a gradient profile and an MEA without a gradient profile.
  • FIG. 1 schematically shows a membrane electrode assembly 10 (Membrane Electrode Assembly, MEA for short). It forms the core of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC).
  • the MEA has a Noden- and cathode side, respectively, a gas diffusion layer 11, 15 on.
  • the gas diffusion layer 11 is applied to the anode 12 and the gas diffusion layer 15 to the cathode 14.
  • the proton conductive membrane 13 is arranged.
  • ionomers with different contents of acidic groups in particular with different EW values, can be used.
  • the gradient profile is designed such that the water attraction capacity of the ionomers decreases from the anode side to the cathode side.
  • the anode 12 may have an ionomer having an EW value of about 800, an anode side first membrane layer likewise an ionomer having an EW value of about 800, a subsequent second membrane layer an ionomer having an EW value of approx 900 and the cathode 14 have an ionomer with an EW value of about 1000.
  • Figure 2 shows schematically the voltage-current density characteristic curve (y-axis: voltage, x-axis: current density) of a membrane-electrode unit (MEA) with a gradient profile (curve with the triangle symbols) and a membrane electrode assembly (MEA ) without gradient profile (curve with the square-shaped symbols).
  • the gradient MEA is composed as follows: the anode has an ionomer having an equivalent weight (EW) of acidic groups of about 800, based on the ionomer.
  • EW equivalent weight
  • the proton-conducting membrane has a thickness of about 50 .mu.m, with an approximately 25 .mu.m ionomer membrane layer with an EW value of about 900 on the side toward the anode and an approximately 25 .mu.m ionomer membrane layer on the side toward the cathode an EW value of about 1000, based on the ionomer.
  • the cathode has an ionomer with an EW value of acidic groups of about 1000, based on the ionomer.
  • an MEA with a constant equivalent weight (EW) of acidic groups of about 900, based on the ionomer was used. In FIG. 2, the polarization curve of both MEAs.

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)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit Elektroden in Form einer Anode und einer Kathode, zwischen denen eine Protonen leitende Membran aus einem acide Gruppe aufweisenden lonomer angeordnet ist, die Wasser anzuziehen vermag, das an die aciden Gruppen bindet, wobei zwischen dem Bereich der Anode und dem Bereich der Kathode ein Gradientenprofil in Bezug auf das Wasseranziehungsvermögen des lonomers ausgebildet ist, derart, dass das Wasseranziehungsvermögen im Anodenbereich größer ist als im Kathodenbereich.

Description

Beschreibung
Brennstoffzelle, Protonen leitende Membran, Membran-Elektroden- Einheit, Verwendungen von lonomeren und Kit
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Protonen leitenden Membran aus einem acide Gruppen aufweisenden lonomer, eine diesbezügliche Membran, eine entsprechende Membran-Elektroden-Einheit, verschiedene Verwendungen des lonomers sowie einen Kit.
Die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (Proton Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) werden wegen ihres theoretisch erzielbaren hohen Wirkungsgrades und der schadstoffarmen Technik als besonders zukunftsträchtige Energiequelle eingeschätzt. Eine PEM- Brennstoffzelle besteht gewöhnlich aus zwei Elektroden, die durch eine Protonen leitende Membran (ßolymer Electrolyte Membran oder Protone Exchange Membran) voneinander separiert sind. Auf die Elektroden sind gewöhnlich noch Gasdiffusionslagen aufgelegt. Diese kombinierte Anordnung wird als sogenannte Membran-Elektroden-Einheit bezeichnet (Membrane Elektrode Assembly, MEA). Die MEA stellt die zentrale Komponente des oben genannten Brennstoffzelltyps dar. Innerhalb der MEA kommt wiederum der Protonen leitenden Membran eine Schlüsselrolle zu. Sie transferiert die auf der Anodenseite durch Oxidation des Brennstoffes, gewöhnlich Wasserstoff, erzeugten Protonen auf die Ka- thodenseite. Dort rekombinieren diese Protonen mit dem auf der Kathodenseite umgesetzten Oxidationsmittel, gewöhnlich Sauerstoff, und den über einen geeigneten Verbraucher gewanderten Elektronen zu Wasser. Insgesamt gewährleistet die Protonen leitende Membran daher, dass der Stromkreislauf in der Brennstoffzelle geschlossen bleibt, indem die Membran die ionische Leitfähigkeit in der Brennstoffzelle herstellt. Der Protonentransfer durch die Membran erfolgt in der Regel unter Mitwirkung von im Membranmaterial enthaltenen sauren Gruppen. Der Proto- nenleitmechanismus funktioniert jedoch nur bei ausreichender Anwesenheit von Wasser in der Membran.
Problematisch ist jedoch, dass konventionelle PEMFCs mit längerer Be- triebsdauer zunehmend an Wasser verlieren. Dies ist zum einen erhöhten Betriebstemperaturen geschuldet, die bei PEMFCs durchaus in einem Bereich zwischen 90 und 130 0C liegen können. Zum anderen „schleppen" die Protonen bei ihrer Wanderung durch die Membran stets auch etwas Wasser mit, wodurch die Membran beginnend von der Ano- denseite auszutrocknen droht. Mit zunehmendem Wasserverlust erhöht sich jedoch der Widerstand in der Brennstoffzelle, wodurch deren Leistung insgesamt sinkt.
Damit Protonen leitende Membranen möglichst effizient in Brennstoffzel- len eingesetzt werden können, müssen die Membranmaterialien mit kostenintensiven Befeuchtungsaggregaten befeuchtet werden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass während des Befeuchtungsvorganges eine Kondensation des Befeuchtungswassers möglichst vermieden werden muss, da Wassertropfen den Ablauf von Brennstoffzellen beeinträchti- gen können.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, welche aus dem Stand der Technik bekannte Probleme vermeidet. Des Weiteren stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine entsprechende Protonen leitende Membran, eine Membran-Elektroden- Einheit sowie diverse Verwendungen von lonomeren bereitzustellen. Die Brennstoffzelle bzw. Membran bzw. Membran-Elektroden-Einheit soll insbesondere in kritischen Temperaturbereichen ohne wesentliche Einbußen im Wirkungsgrad über einen längeren Zeitraum in Betrieb ge- nommen werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Brennstoffzelle mit Elektroden in Form einer Anode und einer Kathode, zwischen denen eine Protonen leitende Membran aus einem acide Gruppen aufweisenden lonomer angeordnet ist, die Wasser anzuziehen vermag, das an die aciden Gruppen bindet, wobei zwischen dem Bereich der Anode und dem Bereich der Kathode ein Gradientenprofil in Bezug auf das Was- seranziehungsvermögen des lonomers ausgebildet ist, derart, dass das Wasseranziehungsvermögen im Anodenbereich größer ist als im Kathodenbereich.
Durch die Erfindung wird eine Brennstoffzelle, insbesondere eine PoIy- mer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (Proton Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC), mit einem Gradientenprofil bezüglich des Wasseranziehungsvermögens eines Protonen leitenden lonomers bereitgestellt. Das Gradientenprofil erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Membran-Elektroden-Einheit (MEA) der Brennstoffzelle. Das Gradien- tenprofil sorgt mit besonderem Vorteil für einen ausreichenden Wassergehalt während der Betriebnahme der Brennstoffzelle und unterstützt insbesondere die Rückdiffusion des in der Membran vorhandenen Wassers von der Kathode zur Anode. Dadurch wird der auf Wasser beruhende Protonentransfer durch die Membran aufrecht erhalten. Dies trägt insgesamt zu einem stabileren Lauf der Brennstoffzelle bei und erhöht zudem in vorteilhafter Weise ihre Leistung. Dies ist vor allem bei erhöhten Betriebstemperaturen von Vorteil, bei denen Membranen konventioneller Systeme gewöhnlich trocken fallen. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle besteht daher gerade darin, dass sie auch bei kritischen Temperaturbereichen, insbesondere zwischen 90 und 130 0C, und insbesondere mit einer zum Teil deutlich reduzierten relativen Feuchte betrieben werden kann.
Das Gradientenprofil kann durch unterschiedliche hydrophile und/oder hydrophobe Eigenschaften des lonomers ausgebildet sein. Das Gradientenprofil ist insbesondere durch unterschiedliche hydrophile und hydrophobe Eigenschaften des lonomers ausgebildet. Bevorzugt weist die Membran auf ihrer Anodenseite eine größere Hydrophilie auf als an ihrer Kathodenseite. Anders ausgedrückt, kann die Membran an ihrer Kathodenseite mit besonderem Vorteil hydrophober ausgebildet sein als an ihrer Anodenseite.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Unterschiede im Wasseranziehungsvermögen mindestens zum Teil durch einen unterschiedlichen Gehalt an aciden Gruppen, insbesondere im lonomer, ausgebildet. Hierbei können auch verschiedene acide Gruppen kombiniert sein. Als acide Gruppen kommen grundsätzlich Carboxy-, Phosphonsäure- und/oder Sulfonsäuregruppen in Betracht, wobei SuI- fonsäuregruppen besonders bevorzugt sind. Die Säuregruppen binden das in der Membran enthaltene Wasser. Durch einen vorzugsweise höheren Gehalt an aciden Gruppen im Anodenbereich und einen vorzugsweise niedrigeren Gehalt an aciden Gruppen im Kathodenbereich kön- nen mehr Wassermoleküle in Richtung Anode als in Richtung „Kathode" gesaugt werden.
In einer weitergehenden Ausführungsform sind die Unterschiede im Wasseranziehungsvermögen mindestens zum Teil durch die Hydrophilie und/oder Hydrophobie des lonomers beeinflussende Zusätze zu den lonomeren bewirkt. Beispielsweise können die lonomere auf der Anodenseite hydrophile Zusätze, insbesondere Zeolithe, und die lonomere auf der Kathodenseite hydrophobe Zusätze, insbesondere Teflon, aufweisen.
Vorzugsweise sind in die Membran, insbesondere in deren unterschiedlichen Schichten, Metallkomplexe integriert, welche durch katalytische Wirkung eine zusätzliche Wassererzeugung katalysieren. Diese Ausführungsform der Erfindung kann auch für sich alleine verwirklicht sein. Die Metallkomplexe sind vorzugsweise kovalent an das lonomer, insbesondere an Polymermoleküle davon, gebunden. Die Metallkomplexe können insbesondere in das lonomer eingebettet sein. Die Metallkomplexe können die typischerweise bei der Beschichtung oder Bedampfung von E- lektroden zum Einsatz kommenden Übergangsmetalle aufweisen. Beispiele sind Platin, Rhuthenium, Nickel, Cobalt, Chrom und Gemische davon, insbesondere Platin-Ruthenium-Gemische, Platin-Nickel- Gemische und Platin-Cobalt-Gemische. Bei den Metallkomplexen kann es sich weiterhin um Komplexe auf Siloxanbasis handeln. Bevorzugt sind die Metallkomplexe über geeignete funktionelle Gruppen, beispielsweise Hydroxygruppen, Halogenatome und dergleichen, kovalent an die Polymermoleküle des lonomers gebunden. Durch die kovalente Bindung sind die Metallkomplexe mit besonderem Vorteil fest und insbe- sondere degradationsbeständig in die Membran eingebunden.
Grundsätzlich kommen für das lonomer alle Polymere in Betracht, die acide Gruppen oder Substituenten tragen. Beispielsweise kann das lonomer ein siliziumorganisches Polymer sein. Das lonomer kann insbe- sondere als Mischung oder Kombination verschiedener lonomere, insbesondere als lonomerblend, vorliegen.
Erfindungsgemäß ist es insbesondere vorgesehen, dass das lonomer ausgewählt ist aus der Gruppe sulfonierte Polysulfone (s-PS), sulfonierte Polysulfidsulfone (s-PSS), sulfonierte Polyetherketone (s-PEK), sulfonierte Polyetheretherketone (s-PEEK), sulfonierte Polyetherketonketone (s-PEKK), sulfonierte Polyetheretherketonketone (s-PEEKK) und Kombinationen davon. Sulfonierte Polysulfone (s-PS) und/oder sulfonierte Polysulfidsulfone (s-PSS) sind erfindungsgemäß besonders bevorzugt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das lonomer ein Per- fluorosulfonsäurepolymer.
Die Herstellung der in den vorherigen Abschnitten genannten lonomere ist dem Fachmann bekannt. Beispielsweise wird für die Herstellung von sulfonierten Polyetherketonketonen (s-PEKK) auf die EP 1 373 364 B1 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt insoweit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht wird. Das Gradientenprofil kann kontinuierlich und/oder diskontinuierlich ausgebildet sein. Erfindungsgemäß kann das Gradientenprofil insbesondere kontinuierlich ausgebildet sein. Bevorzugt nimmt das Wasseranziehungsvermögen in der Membran von einer Seite zur anderen Seite, ins- besondere von der Anodenseite der Membran zu ihrer Kathodenseite, vorzugsweise kontinuierlich ab.
In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich das Gradientenprofil zwischen den Elektroden. Auf diese Weise kann der bereits beschrie- bene Wasserzug in Richtung auf die Anodenseite zusätzlich verstärkt werden. Insbesondere erstreckt sich das Gradientenprofil in der Membran, d.h. zwischen den Oberflächen der Membran durch die Membran.
Die Membran weist bei einer weiteren Ausführungsform mindestens zwei, insbesondere zwei bis zehn, Schichten auf. Die Membran kann daher als Mehrschichtmembran, zum Beispiel als sogenannte Bilayer- oder Trilayer-Membran, vorliegen. Die Schichten besitzen vorzugsweise ein verschiedenes Wasseranziehungsvermögen, insbesondere verschiedene Beladungsdichten bezüglich der aciden Gruppen. Die Mem- bran kann eine Dicke zwischen 20 und 50 μm aufweisen. Zur Herstellung der Schichtmembran kann eine Dispersion, insbesondere Lösung, des lonomers auf eine geeignete Unterlage, beispielsweise auf eine PET-Folie (Polyethylenterephthalat-Folie), aufgebracht werden. Nach einem gegebenenfalls erforderlichen Trocknungsschritt kann eine weite- re Dispersion des lonomers aufgebracht und anschließend gegebenenfalls erneut getrocknet werden. Diese Schritte können mehrmals wiederholt werden, wobei bei jedem Beschichtungsschritt vorzugsweise ein lonomer mit einem anderen Gehalt an aciden Gruppen verwendet wird. Dadurch können einzelne Schichten der fertigen Membran unterschied- liehe Beladungsdichten im Hinblick auf die aciden Gruppen aufweisen. Somit lässt sich das Gradientenprofil in besonders einfacher Weise erzeugen. Die Membran ist gewöhnlich beidseitig mit einer katalytisch aktiven E- lektrode (Elektrokatalysatorschicht) versehen. Bei der Elektrode handelt es sich meistens um eine Mischung aus einem geeigneten Trägermaterial, beispielsweise Kohlenstoff, insbesondere in Form von Ruß, und ei- nem geeigneten Katalysator. Der Katalysator kann beispielsweise auf das Trägermaterial aufgedampft sein. Weiterhin kann der Katalysator in Form einer Paste oder Dispersion auf das Trägermaterial aufgetragen, beispielsweise aufgerakelt, sein. Auf die Elektroden sind gewöhnlich noch Gasdiffusionslagen aufgelegt. Diese kombinierte Anordnung aus Trägermaterial, Katalysator und Gasdiffusionslagen kann mit der Protonen leitenden Membran zu der bereits mehrfach erwähnten Membran- Elektroden-Einheit (MEA) verbunden sein. Als Katalysatoren kommen neben den bereits an anderer Stelle erwähnten Übergangsmetallen auch Übergangsmetalllegierungen, beispielsweise Platinlegierungen, in Betracht. Die Schichtdicke der Elektroden kann maximal ca. 15 μm betragen. Bevorzugt ist die Elektrodenschichtdicke < 15 μm, insbesondere < 2 μm.
Erfindungsgemäß kann es weiterhin vorgesehen sein, dass die Elektro- den Protonen leitende lonomere, insbesondere lonomere mit aciden Gruppen, aufweisen. Bevorzugt weisen die Elektroden selbst ein Gradientenprofil in Bezug auf das Wasseranziehungsvermögen eines lono- mers auf. Bevorzugt weisen die lonomere der Anode ein größeres Wasseranziehungsvermögen auf als die lonomere der Kathode. Dies kann, wie bereits beschrieben, auf unterschiedlichen hydrophilen bzw. hydrophoben Eigenschaften der lonomere beruhen. Vorzugsweise beruhen die Unterschiede auf einem unterschiedlichen Gehalt an aciden Gruppen der Anoden- und Kathodenionomere. Erfindungsgemäß kann es sogar vorgesehen sein, dass das Grääieήteήprofil in denΕlektroden je- weils stärker ausgebildet ist als in der Membran. Die Elektroden können insbesondere mehrere Schichten von Protonen leitenden lonomeren aufweisen, wobei die Schichten bevorzugt ein verschiedenes Wasseranziehungsvermögen besitzen. Bezüglich weiterer Eigenschaften und Einzelheiten zu den lonomeren wird auf die bisherige Beschreibung Bezug genommen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Elektroden Katalysa- torpartikel auf, die in ein lonomer eingebettet sind. Bei den Katalysatorpartikeln kann es sich beispielsweise um Agglomerate aus Übergangsmetallen und geeigneten Trägermaterialien, beispielsweise Kohlenstoff, handeln. Die Übergangsmetalle weisen gewöhnlich einen Durchmesser im Nanometerbereich auf. Beispielsweise kann der Durchmesser zwi- sehen 3 und 10 nm, insbesondere bei ca. 5 nm, liegen. Die Trägermaterialien selbst können in partikulärer Form vorliegen. Im Falle von Kohlenstoff kann das Trägermaterial auch in Form von Nanotubes vorliegen. Der Durchmesser von Partikeln des Trägermaterials kann sich vom Nanometerbereich bis in den Mikrometerbereich erstrecken. Die Katalysa- torpartikel können in das lonomer, insbesondere in lonomerpartikel, eingebettet sein. Die lonomerpartikel können einen Durchmesser zwischen 40 und 100 μm oder größer aufweisen.
Den Elektroden sind bei einer weiteren Ausführungsform Gasdiffu- sionslagen zugeordnet. Bei den Gasdiffusionslagen kann es sich insbesondere um vliesartige Materialien, beispielsweise Kohlenstoffpapier, handeln. Die Gasdiffusionslagen sorgen in vorteilhafter Weise für eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Reaktandengase auf der Membran-Elektroden-Einheit und für die Abnahme der Elektronen aus der Elektrokatalysatorschicht.
Besonders bevorzugt erstreckt sich das Gradientenprofil zwischen den Gasdiffusionslagen der Brennstoffzelle.
In einer weitergehenden Ausführungsform weisen die Gasdiffusionslagen Protonen leitende lonomere, insbesondere lonomere mit aeiden Gruppen, auf. Vorzugsweise weisen die Gasdiffusionslagen selbst ein Gradientenprofil bezüglich des Wasseranziehungsvermögens eines lo- nomers auf. Erfindungsgemäß kann es zum Beispiel vorgesehen sein, dass die Gasdiffusionslagen ein poröses Gerüst aus lonomer aufweisen. Bevorzugt besitzt das lonomer der der Anode zugeordneten Gasdiffusionslage ein größeres Wasseranziehungsvermögen als das lonomer der der Kathode zugeordneten Gasdiffusionslage. Die Gasdiffusionslagen können insbesondere mehrere Schichten von Protonen leitenden lonomeren aufweisen, wobei die Schichten bevorzugt ein verschiedenes Wasseranziehungsvermögen besitzen. Bezüglich weiterer Einzelheiten und Merkmale zu den lonomeren wird auf die bisherige Beschreibung verwiesen. In einer weiteren Ausführungsform weisen die Gasdiffusionslagen selbst Elektrokatalysatorschichten auf, d.h. die Gasdiffusionslagen sind in dieser Ausführungsform als Gasdiffusionselektroden ausgebildet. Die Gasdiffusionslagen können grundsätzliche eine Dicke zwischen 120 und 350 μm aufweisen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Brennstoffzelle, insbesondere Bauteile davon, lonomere mit unterschiedlichen Äquivalentgewichten (EW) an aciden Gruppen, bezogen auf das jeweilige lonomer, auf. Beispielsweise können Schichten von Gasdiffusionsla- gen an der Anodenseite lonomere mit einem Äquivalentgewichts-Wert (EW-Wert) zwischen 800 und 850 aufweisen und an der Kathodenseite lonomere mit einem EW-Wert zwischen 1050 und 1100. Der EW-Wert verhält sich dabei in etwa umgekehrt proportional zum Gehalt an aciden Gruppen, insbesondere Sulfonsäuregruppen. Die Einstellung solcher EW-Werte an sich ist dem Fachmann bekannt, so dass auf weitere Ausführungen hierzu verzichtet wird. Das Gradientenprofil, ausgedrückt in Äquivalentgewichten (EW) an aciden Gruppen, insbesondere Sulfonsäuregruppen, weist vorzugsweise eine Äquivalentsgewichtsdifferenz von mindestens 10 %, insbesondere mindestens 20 %, bezogen auf das lo- nomer mit niedrigerem Äquivalentgewicht, auf.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle liegt bei einer weiteren Ausführungsform in Form eines Brennstoffzellstapels, eines sogenannten Stacks, vor. Auf diese Weise können in bequemer Weise technisch nutzbare Spannungen erzeugt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Membran aus mindestens zwei lo- nomeren mit verschiedenem Wasseranziehungsvermögen, wobei sich das Wasseranziehungsvermögen der Membran von einer Seite zur anderen ändert. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Membran- Elektroden-Einheit (MEA) mit mindestens zwei lonomeren mit verschiedenem Wasseranziehungsvermögen, wobei sich das Wasseranzie- hungsvermögen der Membran-Elektroden-Einheit von einer Seite zur anderen ändert. Bezüglich weiterer Einzelheiten und Merkmale der Membran bzw. Membran-Elektroden-Einheit, insbesondere ihrer einzelnen Bestandteile, beispielsweise Anode, Kathode, Membran und Gasdiffusionslagen bzw. gegebenenfalls Gasdiffusionselektroden, wird auf die bisherige Beschreibung verwiesen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung von lonomeren mit unterschiedlichem Wasseranziehungsvermögen zur Herstellung mindestens von Bauteilen von Brennstoffzellen mit einem Gradienten- profil. Bei den Bauteilen kann es sich um Protonen leitende Membranen, Elektroden, Gasdiffusionslagen und/oder Membran-Elektroden- Einheiten, sogenannte MEAs1 handeln. Weiterhin umfasst die Erfindung die Verwendung von lonomeren mit unterschiedlichem Wasseranziehungsvermögen zur Herstellung von Brennstoffzellen. Die Erfindung be- trifft auch die Verwendung von lonomeren mit unterschiedlichem Wasseranziehungsvermögen zur Herstellung von Membranen mit einem unterschiedlichen Wasseranziehungsvermögen auf beiden Seiten. Außerdem bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Verwendung von lonomeren mit unterschiedlichem Wasseranziehungsvermögen zur Her- Stellung von Elektroden mit unterschiedlichen Wasseranziehungsvermögen, insbesondere für Brennstoffzellen. Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung von lonomeren mit unterschiedlichem Wasseranziehungsvermögen zur Herstellung von Gasdiffusionslagen, insbesonde- re Gasdiffusionselektroden, mit verschiedenem Wasseranziehungsvermögen. Die lonomere können in Form von Lösungen, Pasten, Pulvern und/oder Membranen vorliegen. Bezüglich weiterer Einzelheiten und Merkmale zu den vorstehend aufgeführten Verwendungsmöglichkeiten der lonomere wird auf die bisherige Beschreibung verwiesen.
Die Erfindung betrifft schließlich noch ein Kit aus mindestens zwei lono- meren mit verschiedenem Wasseranziehungsvermögen zur Herstellung mindestens von Bauteilen von Brennstoffzellen mit einem Gradienten- profil an Wasseranziehungsvermögen. Die lonomere können in Form von Lösungen, Pasten, Pulvern und/oder Membranen vorliegen. Bezüglich weiterer Einzelheiten und Merkmale wird auf die bisherige Beschreibung Bezug genommen.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Figurenbeschreibung in Kombination mit den Figuren und Unteransprüchen. In diesen Ausführungsformen können einzelne Merkmale der Erfindung allein oder in Kombination mit anderen Merkmalen verwirklicht sein. Sämtliche Figuren werden hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
In den Figuren zeigen:
Figur 1 : den Aufbau einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA) einer PEMFC,
Figur 2: die Polarisationskurve einer MEA mit Gradientenprofil und einer MEA ohne Gradientenprofil.
Figur 1 zeigt schematisch eine Membran-Elektroden-Einheit 10 (Membrane Electrode Assembly, kurz MEA). Sie bildet das Kernstück einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC). Die MEA weist a- noden- und kathodenseitig jeweils eine Gasdiffusionslage 11 ;15 auf. Die Gasdiffusionslage 11 ist auf die Anode 12 und die Gasdiffusionslage 15 auf die Kathode 14 aufgebracht. Zwischen den Elektroden 12; 14 ist die Protonen leitende Membran 13 angeordnet. Erfindungsgemäß ist es be- sonders vorteilhaft, wenn sich zwischen den Gasdiffusionslagen 11 ;15 ein Gradientenprofil in Bezug auf das Wasseranziehungsvermögen von lonomeren erstreckt. Hierfür können lonomere mit unterschiedlichen Gehalten an aciden Gruppen, insbesondere mit unterschiedlichen EW- Werten, verwendet werden. Bevorzugt ist das Gradientenprofil derart ausgebildet, dass das Wasseranziehungsvermögen der lonomere von der Anodenseite zur Kathodenseite abnimmt. Beispielsweise kann die Anode 12 ein lonomer mit einem EW-Wert von ca. 800, eine anodensei- tig erste Membranschicht ebenfalls ein lonomer mit einem EW-Wert von ca. 800, eine darauf folgende zweite Membranschicht ein lonomer mit einem EW-Wert von ca. 900 und die Kathode 14 ein lonomer mit einem EW-Wert von ca. 1000 aufweisen.
Figur 2 zeigt schematisch die Spannung-Stromdichte-Kennkurve (y- Achse: Spannung, x-Achse: Stromdichte) einer Membran-Elektroden- Einheit (MEA) mit einem Gradientenprofil (Kurve mit den Dreiecksymbolen) und einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA) ohne Gradientenprofil (Kurve mit den quadratförmigen Symbolen). Die Gradienten-MEA ist folgendermaßen zusammengesetzt: die Anode weist ein lonomer mit einem Äquivalentgewicht (EW) an aciden Gruppen von ca. 800, bezogen auf das lonomer, auf. Die Protonen leitende Membran hat eine Dicke von ca. 50 μm, wobei sich auf der Seite zur Anode eine ca. 25 μm lono- mermembranschicht mit einem EW-Wert von ca. 900 und auf der Seite zur Kathode eine ca. 25 μm lonomermembranschicht mit einem EW- Wert von ca. 1000 befindet, bezogen auf das lonomer. Die Kathode weist ein lonomer mit einem EW-Wert an aciden Gruppen von ca. 1000 auf, bezogen auf das lonomer. Als Referenz wurde eine MEA mit einem konstanten Äquivalentgewicht (EW) an aciden Gruppen von ca. 900, bezogen auf das lonomer, verwendet. In der Figur 2 ist die Polarisations- kurve beider MEAs zu sehen. Gemessen wurde bei einer Temperatur von etwa 800C und voll befeuchteten Gasen. Als Oxidationsmittel wurde auf der Kathodenseite Luft mit einem Überdruck von 0,5 bar und einer Stöchiometrie von 2,5 verwendet. Als Anodengas wurde Wasserstoff mit einem Überdruck von 0,5 bar und einer Stöchiometrie von 1 ,5 verwendet. Aus der Figur 2 wird deutlich, dass die Ausbildung eines Gradientenprofils zu einer Anhebung der Leistung der MEA und damit der Brennstoffzelle insgesamt führt.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzelle mit Elektroden in Form einer Anode und einer Kathode, zwischen denen eine Protonen leitende Membran aus einem acide Gruppen aufweisenden lonomer angeordnet ist, die Wasser anzuziehen vermag, das an die aciden Gruppen bindet, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Bereich der Anode und dem Bereich der Kathode ein Gradientenprofil in Bezug auf das Wasseranziehungsvermögen des lonomers ausgebildet ist, derart, dass das Wasseranziehungsvermögen im Anodenbereich größer ist als im Kathodenbereich.
2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gradientenprofil durch unterschiedliche Hydrophilie und/oder Hydrophobie des lonomers ausgebildet ist.
3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterschiede im Wasseranziehungsvermögen mindestens zum Teil durch einen unterschiedlichen Gehalt an aciden Gruppen ausgebildet ist.
4. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aciden Gruppen Sulfonsäu- regruppen sind.
5. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterschiede im Wasseranziehungsvermögen mindestens zum Teil durch die Hydrophilie und/oder Hydrophobie des lonomers beeinflussende -Zusätze zu den lonomeren bewirkt sind.
6. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Membran, insbesondere in de- ren unterschiedliche Schichten, Metallkomplexe integriert sind, welche durch katalytische Wirkung eine zusätzliche Wassererzeugung katalysieren.
7. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkomplexe kovalent an die Polymermoleküle des lonomers gebunden sind.
8. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das lonomer ein sulfoniertes Polysul- fon und/oder ein sulfoniertes Polysulfidsulfon ist.
9. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das lonomer ein Perfluorosulfonsäu- repolymer ist.
10. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gradientenprofil kontinuierlich und/oder diskontinuierlich ausgebildet ist.
11. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasseranziehungsvermögen in der Membran von einer Seite zur anderen kontinuierlich abnimmt.
12. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Gradientenprofil zwischen den Elektroden erstreckt.
13. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Gradientenprofil zwischen den Oberflächen durch die Membran erstreckt.
14. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran mindestens zwei Schichten aufweist und die Schichten ein verschiedenes Wasseranziehungsvermögen besitzen.
15. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden Katalysatorpartikel aufweisen, die in ein lonomer eingebettet sind und das lonomer der Anode ein größeres Wasseranziehungsvermögen besitzt als das lonomer der Kathode.
16. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Elektroden Gasdiffusionslagen zugeordnet sind und sich das Gradientenprofil zwischen den Gasdiffusionslagen erstreckt.
17. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslagen ein poröses Gerüst aus lonomer aufweisen und das lonomer der der Anode zugeordneten Gasdiffusionslage ein größeres Wasseranziehungsvermögen besitzt als das lonomer der der Kathode zugeordneten Gasdiffusionslage.
18. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gradientenprofil, ausgedrückt in Äquivalentgewichten (EW) an aciden Gruppen, insbesondere SuI- fonsäuregruppen, eine Äquivalentsgewichtsdifferenz von mindestens 10 %, insbesondere mindestens 20 %, bezogen auf das lonomer mit niedrigerem Äquivalentgewicht, aufweist.
19. Membran aus mindestens zwei lonomeren mit verschiedenem Wasseranziehungsvermögen, wobei sich das Wasseranziehungsvermögen der Membran von einer Seite zur anderen ändert.
20. Membran-Elektroden-Einheit mit mindestens zwei lonomeren mit verschiedenem Wasseranziehungsvermögen, wobei sich das Wasseranziehungsvermögen der Membran-Elektroden-Einheit von einer Seite zur anderen ändert.
21. Verwendung von lonomeren mit unterschiedlichem Wasseranziehungsvermögen zur Herstellung mindestens von Bauteilen von Brennstoffzellen mit einem Gradientenprofil.
22. Verwendung von lonomeren mit unterschiedlichem Wasseranziehungsvermögen zur Herstellung von Brennstoffzellen, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 18.
23. Verwendung von lonomeren mit unterschiedlichem Wasseranziehungsvermögen zur Herstellung von Membranen mit einem unterschiedlichen Wasseranziehungsvermögen auf beiden Seiten.
24. Verwendung von lonomeren mit unterschiedlichem Wasseranziehungsvermögen zur Herstellung von Elektroden mit unterschiedlichen Wasseranziehungsvermögen, insbesondere für Brennstoffzellen.
25. Verwendung von lonomeren mit unterschiedlichem Wasseranziehungsvermögen zur Herstellung von Gasdiffusionslagen mit verschiedenem Wasseranziehungsvermögen.
26. Kit aus mindestens zwei lonomeren mit verschiedenem Wasseranziehungsvermögen zur Herstellung mindestens von Bauteilen von Brennstoffzellen mit einem Gradientenprofil an Wasseranziehungsvermögen.
27. Kit nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die lonome- re in Form von Lösungen, Pasten, Pulvern und/oder Membranen vorliegen.
PCT/EP2008/010425 2007-12-09 2008-12-09 Brennstoffzelle, protonen leitende membran, membran-elektroden- einheit, verwendungen von lonomeren und kit Ceased WO2009074282A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP08859086.4A EP2229703B1 (de) 2007-12-09 2008-12-09 Brennstoffzelle, protonen leitende membran, membran-elektroden- einheit, verwendungen von ionomeren und kit
DK08859086.4T DK2229703T3 (en) 2007-12-09 2008-12-09 A fuel cell proton-conducting membrane, membrane-electrode assembly, use of ionomers and kits

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007060719A DE102007060719A1 (de) 2007-12-09 2007-12-09 Brennstoffzelle, Protonen leitende Membran, Membran-Elektroden-Einheit, Verwendungen von Ionomeren und Kit
DE102007060719.0 2007-12-09

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009074282A1 true WO2009074282A1 (de) 2009-06-18

Family

ID=40427463

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2008/010425 Ceased WO2009074282A1 (de) 2007-12-09 2008-12-09 Brennstoffzelle, protonen leitende membran, membran-elektroden- einheit, verwendungen von lonomeren und kit

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP2229703B1 (de)
DE (1) DE102007060719A1 (de)
DK (1) DK2229703T3 (de)
WO (1) WO2009074282A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN120432550A (zh) * 2025-05-12 2025-08-05 上海纳尔实业股份有限公司 一种基于亲疏水调控的氢燃料电池催化层浆料及膜电极制备方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016102088A1 (de) * 2016-02-05 2017-08-10 Volkswagen Ag Membran, Membran-Elektroden-Einheit, Brennstoffzelle und Verfahren zur Herstellung einer Membran
DE102018200687A1 (de) 2018-01-17 2019-07-18 Audi Ag Kaskadierter Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellensystem

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5350643A (en) * 1992-06-02 1994-09-27 Hitachi, Ltd. Solid polymer electrolyte type fuel cell
US20060083971A1 (en) * 2004-01-23 2006-04-20 The University Of North Carolina At Chapel Hill North Carolina State University Liquid materials for use in electrochemical cells
WO2007074616A1 (ja) * 2005-12-27 2007-07-05 Nissan Motor Co., Ltd. 膜電極接合体、および、これを用いた燃料電池

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10116391A1 (de) 2001-03-28 2002-10-10 Fuma Tech Gmbh Sulfoniertes Polyetherketonketon

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5350643A (en) * 1992-06-02 1994-09-27 Hitachi, Ltd. Solid polymer electrolyte type fuel cell
US20060083971A1 (en) * 2004-01-23 2006-04-20 The University Of North Carolina At Chapel Hill North Carolina State University Liquid materials for use in electrochemical cells
WO2007074616A1 (ja) * 2005-12-27 2007-07-05 Nissan Motor Co., Ltd. 膜電極接合体、および、これを用いた燃料電池
EP1968144A1 (de) * 2005-12-27 2008-09-10 Nissan Motor Co., Ltd. Membranelektroden-verbundprodukt und brennstoffzelle damit

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN120432550A (zh) * 2025-05-12 2025-08-05 上海纳尔实业股份有限公司 一种基于亲疏水调控的氢燃料电池催化层浆料及膜电极制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
DK2229703T3 (en) 2015-12-14
EP2229703A1 (de) 2010-09-22
DE102007060719A1 (de) 2009-06-10
EP2229703B1 (de) 2015-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10151458B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer Elektrode auf einem Substrat, Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodensubstrat-Baugruppe und Membranelektrodensubstrat-Baugruppen
US9722271B2 (en) Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly and fuel cell including the same
DE60004594T2 (de) Geschichtete Kohlenstoffelektrode für elektrochemische Zellen
US10431837B2 (en) Membrane electrode assembly
EP2750226B1 (de) Elektrodenkatalysatorschicht für brennstoffzellen, elektrode für brennstoffzellen, membranelektrodenbaugruppe für brennstoffzellen und brennstoffzelle
DE60205090T2 (de) Verfahren zur Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten unter Verwendung von mit katalysator beschichteten Membranen und Klebstoffen
GB2555507A (en) Catalyst
EP1184925A2 (de) PEM-Brennstoffzellenstapel
DE112015002354T5 (de) Membran-elektroden-anordnung
DE102008038202B4 (de) PEM-Brennstoffzelle mit verbessertem Wassermanagement und Verfahren zu ihrer Herstellung
EP1261057A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektrodeneinheit und dadurch hergestellte Membran-Elektrodeneinheit
DE102010017397A1 (de) Membranelektrodenanordnung und Brennstoffzelle
KR20140082448A (ko) 연료전지용 촉매 슬러리, 이를 이용하여 형성된 전극, 상기 전극을 구비하는 막전극 접합체, 이를 포함하는 연료전지, 및 상기 전극의 제조방법
DE102017214725A1 (de) Katalytische Zusammensetzung, Verfahren zu ihrer Herstellung, ihre Verwendung zur Herstellung einer Brennstoffzellenelektrode sowie Brennstoffzelle mit einer solchen
DE112020001053T5 (de) Kathodenkatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle, und Brennstoffzelle
DE102007013416A1 (de) Membranelektrodenanordnung zur Verwendung in einer Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle
DE112012004623T5 (de) Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle
DE102022106413A1 (de) Katalysatorschicht und verfahren zur herstellung derselben
CN103931031B (zh) 燃料电池用电极催化剂层、燃料电池用电极、燃料电池用膜电极接合体及燃料电池
DE102017215428A1 (de) Katalytische Zusammensetzung, Verfahren zu ihrer Herstellung, ihre Verwendung zur Herstellung einer Brennstoffzellenelektrode sowie Brennstoffzelle mit einer solchen
US20140141354A1 (en) Fuel cell electrode, fuel cell membrane electrode assembly including the electrode, and fuel cell including the membrane electrode assembly
EP2229703B1 (de) Brennstoffzelle, protonen leitende membran, membran-elektroden- einheit, verwendungen von ionomeren und kit
DE10052189B4 (de) Mehrschichtige Gasdiffusionselektrode einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle, Membranelektrodenanordnung, Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode und einer Membranelektrodenanordnung sowie Verwendung der Membranelektrodenanordnung
DE112010002746T5 (de) Reaktionsschicht für Brennstoffzelle
DE112012001206T5 (de) Brennstoffzellen-System

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08859086

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008859086

Country of ref document: EP