DE102005032217A1 - Membrane electrode unit for electrochemical devices such as fuel cells and operating processes has ionomer membrane having through passage for internal air bleed function - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Elektrochemie und der Brennstoffzellen, insbesondere das Gebiet der Membran-Brennstoffzellen, wie beispielsweise PEMFC und DMFC. Sie beschreibt eine Membran-Elektroden-Einheit („MEE"), die eine oder mehrere Durchführungen für einen internen Transport von Luft (bzw. Sauerstoff) von der Kathode zur Anode aufweist sowie ein Verfahren zu ihrem Betrieb. Membran-Brennstoffzellen und PEM-Stacks, die solche Membran-Elektroden-Einheiten enthalten, können auf einfache Weise mit verunreinigtem Wasserstoff, Methanol oder mit CO-haltigem Reformatgas betrieben werden, wobei sehr gute Leistungswerte erzielt werden.The The present invention relates to the technical field of electrochemistry and the fuel cells, in particular the field of membrane fuel cells, such as PEMFC and DMFC. It describes a membrane-electrode unit ("MEE"), the one or several bushings for one internal transport of air (or oxygen) from the cathode to the Anode has and a method for their operation. Membrane fuel cells and PEM stacks containing such membrane-electrode units can on simple way with contaminated hydrogen, methanol or with CO-containing reformate gas are operated, with very good performance be achieved.
Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel örtlich voneinander getrennt an zwei Elektroden in Strom, Wärme und Wasser um. Als Brennstoff kann Wasserstoff, ein wasserstoffreiches Gas, aber auch Methanol; als Oxidationsmittel Sauerstoff oder Luft dienen. Der Vorgang der Energieumwandlung in der Brennstoffzelle zeichnet sich durch einen besonders hohen Wirkungsgrad aus. Aus diesem Grunde gewinnen Brennstoffzellen allgemein für mobile, stationäre und portable Anwendungen zunehmend an Bedeutung. Insbesondere die Membran-Brennstoffzellen (PEMFC, DMFC etc.) eignen sich aufgrund ihrer kompakten Bauweise, ihrer Leistungsdichte sowie ihres hohen Wirkungsgrades für den Einsatz in den oben genannten Bereichen.fuel cells convert a fuel and an oxidant locally from each other separated at two electrodes into electricity, heat and water. As fuel can be hydrogen, a hydrogen-rich gas, but also methanol; serve as an oxidant oxygen or air. The process of Energy conversion in the fuel cell is characterized by a particularly high efficiency. For this reason, fuel cells win generally for mobile, stationary and portable applications increasingly important. In particular, the membrane fuel cells (PEMFC, DMFC etc.) are due to their compact design, their power density and their high efficiency for use in the above areas.
Das
Kernstück
einer PEM-Brennstoffzelle ist die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit („MEE"). Die Membran-Elektroden-Einheit
besitzt einen sandwichartigen Aufbau und besteht in der Regel aus
fünf Lagen.
Ein schematischer Aufbau einer Membran-Elektroden-Einheit zeigt
die
In
einer alternativen Variante (
Zur Herstellung einer PEM-Einzelzelle wird auf der Anodenseite die zugehörige Anoden-Bipolarplatte mit den Gaszufuhrkanälen sowie auf der Kathodenseite die entsprechende Kathoden-Bipolarplatte mit den zugehörigen Gaszufuhrkanälen angebracht und dieses Gebilde fest zusammengefügt. Durch die Gaszufuhrkanäle (auch „flow-field" genannt) wird die Zufuhr und Abfuhr der Reaktanten in der Membran-Elektroden-Einheit sichergestellt. Zwischen den Bipolarplatten und der Membran bzw. der Membran-Elektroden-Einheit befinden sich häufig Dichtungen bzw. Schutzfilme zur gasdichten Abdichtung. In den sogenannten Brennstoffzellenstapeln („Stacks") sind solche Einzelzellen in beliebiger Anzahl aufeinandergestapelt und hintereinandergeschaltet.to Production of a PEM single cell is on the anode side, the associated anode bipolar plate with the gas supply channels and on the cathode side, the corresponding cathode bipolar plate with the associated Gas supply channels attached and this structure firmly put together. Through the gas supply channels (also called "flow-field") is the Supply and removal of the reactants in the membrane-electrode assembly ensured. Between the bipolar plates and the membrane or the membrane-electrode unit are often seals or protective films for gas-tight sealing. In the so-called fuel cell stacks ("stacks") are such single cells Stacked in any number and connected in series.
Vorzugsweise werden PEM-Brennstoffzellen mit Wasserstoff und Luft als Reaktionsgase betrieben. Sie liefern dabei die besten Leistungswerte. DMFC werden direkt mit wäßrigem Methanol betrieben. Im stationären Bereich werden die Brennstoffzellenheizanlagen jedoch hauptsächlich mit Reformatgas betrieben, welches durch Reformierung aus Erdgas oder Heizöl hergestellt wird. Reformatgas besteht aus ca. 70–75 Vol.-% Wasserstoff und 20–25 Vol.-% Kohlendioxid; in der Praxis enthält dieses Gas auch noch Stickstoff und je nach Reinigungsgrad wechselnde Mengen an Kohlenmonoxid (CO, bis zu 1 Vol.-%), Schwefelverbindungen und ggf. Odorantien.Preferably become PEM fuel cells with hydrogen and air as reaction gases operated. They deliver the best performance. Be DMFC directly with aqueous methanol operated. In the stationary However, fuel cell heating systems are mainly used in the area Reformatgas operated, which by reforming from natural gas or heating oil will be produced. Reformatgas consists of about 70-75 Vol .-% hydrogen and 20-25 vol.% carbon dioxide; contains in practice this gas also nitrogen and depending on the degree of purification changing Amounts of carbon monoxide (CO, up to 1% by volume), sulfur compounds and possibly odorants.
Auch der kommerziell erhältliche Wasserstoff ist aufgrund seines Herstellverfahrens noch mit Spuren von CO und Kohlenwasserstoffen im ppm-Bereich verunreinigt. Dabei ist am Markt der Wasserstoff in verschiedenen Reinheitsgraden erhältlich. Aufgrund der Spurenanteile an CO können auch im Langzeitbetrieb der PEM-Brennstoffzellen mit solchem kommerziell erhältlichen Wasserstoff die nachstehend beschriebenen Vergiftungseffekte auftreten.Also the commercially available Hydrogen is still with traces due to its manufacturing process contaminated by CO and hydrocarbons in the ppm range. there On the market hydrogen is available in different degrees of purity. Due to the trace amounts of CO can also be used in long-term operation the PEM fuel cell with such commercially available Hydrogen the poisoning effects described below occur.
Beim Betrieb mit wasserstoffhaltigen Gasen, die durch Kohlenmonoxid verunreinigt sind, kommt es aufgrund der Vergiftung des platinhaltigen Anodenkatalysators generell zu Leistungseinbußen. Herkömmliche Platinkatalysatoren sind gegen eine Vergiftung durch Kohlenmonoxid sehr empfindlich. Daher muß der Gehalt des Anodengases an Kohlenmonoxid auf unter 10 ppm abgesenkt werden, um eine Degradation der Brennstoffzelle durch eine Vergiftung des Anodenkatalysators zu verhindern. Dies gilt insbesondere für die PEM-Brennstoffzelle, die mit ihren niedrigen Arbeitstemperaturen (in der Regel unter 100°C) besonders empfindlich gegen eine Vergiftung durch Kohlenmonoxid ist. Auch bei Direkt-Methanolbrennstoffzellen findet intermediär eine Adsorption des CO am Anodenkatalysator statt.When operating with hydrogen-containing gases that are contaminated by carbon monoxide, there is generally a loss of performance due to the poisoning of the platinum-containing anode catalyst. Conventional platinum catalysts are very sensitive to poisoning by carbon monoxide. Therefore, the content of the anode gas of carbon monoxide must be lowered to less than 10 ppm in order to prevent degradation of the fuel cell by a Vergif tion of the anode catalyst to prevent. This applies in particular to the PEM fuel cell, which, with its low operating temperatures (generally below 100 ° C.), is particularly sensitive to poisoning by carbon monoxide. Even with direct methanol fuel cells, adsorption of CO on the anode catalyst takes place intermediately.
Das Problem der Vergiftung von Platinkatalysatoren durch Kohlenmonoxid ist seit langem bekannt. Kohlenmonoxid (CO) wird aufgrund seiner speziellen Molekülstruktur an der Oberfläche des Platins adsorbiert und blockiert so den Zugang der Wasserstoffmoleküle des Anodengases zu den katalytisch aktiven Zentren des Platins. In den Katalysatorschichten auf der Anoden- und Kathodenseite der PEM-Brennstoffzelle werden häufig Katalysatoren auf der Basis von Edelmetallen (d.h. Metallen der VIII. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente) verwendet. Vorzugsweise werden Ru, Pt, Au, Pd oder Ir allein oder in Kombination untereinander oder in Kombination mit Unedelmetallen wie Nickel, Cobalt oder Mangan eingesetzt. Elektrokatalysatoren enthalten feine Edelmetallpartikel, die auf einem leitfähigen Trägermaterial (meist Ruß oder Graphit) abgeschieden sind. Der Gehalt an Edelmetall liegt zwischen 10 bis 90 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators.The Problem of poisoning of platinum catalysts by carbon monoxide has been known for a long time. Carbon monoxide (CO) is due to its special molecular structure on the surface adsorbs the platinum and thus blocks the access of the hydrogen molecules of the anode gas to the catalytically active centers of platinum. In the catalyst layers on the anode and cathode side of the PEM fuel cell often Catalysts based on precious metals (i.e., metals of the VIII. Subgroup of the Periodic Table of the Elements) used. Preferably become Ru, Pt, Au, Pd or Ir alone or in combination with each other or in combination with base metals such as nickel, cobalt or manganese used. Electrocatalysts contain fine precious metal particles, on a conductive support material (usually soot or Graphite) are deposited. The content of precious metal is between 10 to 90 wt .-%, based on the total weight of the catalyst.
Aus
der
Die
Aus
der
Die
Allen hier beschriebenen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass die Zugabe des Oxidationsmittels (d.h. Luft oder Sauerstoff) in den Wasserstoffstrom erfolgt, bevor dieser in die Brennstoffzelle, d.h. in die Anodenelektrode der Brennstoffzelle gelangt. Dieses Prinzip, das den Stand der Technik darstellt, wird als „externer air bleed" bezeichnet. Zur Durchführung des Verfahrens sind aufwendige Zufuhr- und Regeleinrichtungen (Ventile, Leitungen, Pumpen, Sensoren etc) notwendig, die das System komplexer gestalten und zu zusätzlichen Leistungseinbußen führen. Darüberhinaus führt dieses Verfahren zu erhöhten Kosten der gesamten Brennstoffzelleneinheit.all Embodiments described herein in common is that the addition of the oxidizing agent (i.e., air or oxygen) into the hydrogen stream before it enters the fuel cell, i. into the anode electrode of the fuel cell arrives. This principle, which represents the state of the art, becomes as "external air bleed ". To carry out the process are complex supply and control devices (valves, Pipes, pumps, sensors etc) necessary, which makes the system more complex shape and to additional performance degradation to lead. Furthermore leads this Procedure to increased Cost of the entire fuel cell unit.
Es war daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Membran-Brennstoffzelle bzw. eine Membran-Elektroden-Einheit für eine Membran-Brennstoff zelle bereitzustellen, die mit verunreinigtem Wasserstoff, mit verunreinigten wasserstoffhaltigen Brenngasen oder mit Methanol betrieben werden kann. Dabei sollte zwar das Konzept des „air bleed" zur CO-Oxidation angewendet werden, dieses Konzept sollte jedoch auf einfache Weise realisiert werden und keine zusätzlichen und aufwendigen externen Zufuhr- und Regeleinrichtungen verursachen. Weiterhin sollte ein einfaches Verfahren zum Betrieb von Membran-Brennstoffzellen mit „air bleed" gefunden werden.It was therefore an object of the present invention, a membrane fuel cell or a membrane-electrode assembly for a membrane fuel cell provide with contaminated hydrogen, with contaminated hydrogen-containing fuel gases or operated with methanol can. Although the concept of "air bleed" for CO oxidation should be applied, However, this concept should be realized in a simple way and no extra and cause expensive external supply and control devices. Farther should be a simple method of operating membrane fuel cells with "air bleed "found become.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Bereitstellung einer Membran-Elektroden-Einheit nach den Ansprüchen 1 bis 18 gelöst. Die weiteren Ansprüche beziehen sich auf eine Membran-Brennstoffzelle enthaltend diese erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheiten sowie auf das Verfahren zum Betrieb einer Membranbrennstoffzelle mit internem Lufttransport.These Tasks are performed according to the invention the provision of a membrane electrode assembly according to claims 1 to 18 solved. The further claims refer to a membrane fuel cell containing these Membrane electrode units according to the invention and the method of operating a membrane fuel cell with internal air transport.
Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit für elektrochemische Vorrichtungen, enthaltend eine Ionomermembran mit Vorder- und Rückseite, mindestens ein Gasverteilersubstrat, mindestens einen Schutzfilm sowie mindestens eine Katalysatorschicht, wobei die Ionomermembran mindestens eine Durchführung aufweist, die einen internen Lufttransport von der Kathodenseite zur Anodenseite ermöglicht.The The invention relates to a membrane electrode assembly for electrochemical Devices containing an ionomer membrane with front and back, at least one gas distribution substrate, at least one protective film and at least one catalyst layer, wherein the ionomer membrane at least one implementation having an internal air transport from the cathode side to the anode side allows.
Dabei erfolgt der Zusatz des Oxidationsmittels (Luft bzw. Sauerstoff) zum Wasserstoffstrom innerhalb einer PEM-Einzelzelle bzw. innerhalb einer Membran-Elektroden-Einheit. Dieses Prinzip des internen Lufttransports (nachfolgend als „interner air bleed" bezeichnet) wird durch die Bereitstellung der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit ermöglicht, welche mindestens eine Durchführung zum Transport des Oxidationsmittels von der Kathodenseite auf die Anodenseite aufweist.there the addition of the oxidizing agent (air or oxygen) takes place to the hydrogen flow within a PEM single cell or within a membrane-electrode unit. This principle of internal air transport (hereinafter referred to as "internal air transport") air bleed ") is made possible by the provision of the membrane-electrode unit according to the invention, which at least one implementation for Transport of the oxidant from the cathode side to the anode side having.
Es hat sich gezeigt, dass mit Hilfe einer oder mehrerer solcher Durchführungen durch die Ionomermembran bzw. durch die katalysatorbeschichteten Membran (CCM) in reproduzierbarer Weise Luft bzw. Sauerstoff von der Kathodenseite (Luftseite) auf die Anodenseite (Brenngasseite) einer Membran-Elektroden-Einheit (bzw. einer PEM-Einzelzelle) transportiert werden kann. Durch den „internen air bleed" wird eine erhöhte CO-Toleranz beim Betrieb mit CO-haltigen Brenngasen erreicht und darüberhinaus der Anodenkatalysator (in der Regel ein PtRu-Katalysator) regeneriert.It has been shown to be using one or more such implementations through the ionomer membrane or through the catalyst-coated Membrane (CCM) reproducibly air or oxygen from the cathode side (air side) to the anode side (fuel gas side) a membrane-electrode unit (or a single PEM cell) can be transported. By the "internal air bleed " an increased CO tolerance achieved when operating with CO-containing fuel gases and Furthermore the anode catalyst (usually a PtRu catalyst) regenerated.
Überraschenderweise ist der bereits bekannte „air bleed"-Effekt auch bei der internen Zufuhr der Luft (d.h. direkt durch Transport von der Kathodenseite auf die Anodenelektrode der Membran-Elektroden-Einheit) zu beobachten. Die Erfinder haben festgestellt, dass die erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit mit Durchführung(en) und „internem air bleed" im Reformatbetrieb recht alterungsstabil sind und nur eine geringe Degradation im Langzeitbetrieb aufweisen. Auch bei Direkt-Methanolbrennstoffzellen (DMFC) ist diese Prinzip einsetzbar, obwohl sich die nachfolgenden Ausführungen auf brenngasbetriebene Zellen beziehen.Surprisingly is the already known "air bleed effect as well in the internal supply of air (i.e., directly by transport of the cathode side to the anode electrode of the membrane-electrode assembly) to observe. The inventors have found that the membrane-electrode unit according to the invention with implementation (s) and "internal air bleed "in Reformatbetrieb are quite resistant to aging and only a small degradation in long-term operation exhibit. Also with direct methanol fuel cells (DMFC), this principle is applicable, although the following versions refer to fuel gas powered cells.
Der
Transport der Luft durch die Durchführung(en) der Membran-Elektroden-Einheit kann beispielsweise
durch Diffusion oder durch Konvektion erfolgen. Der interne Luftstrom
kann dabei durch die Druckdifferenz (Δ p) zwischen Anodengaszufuhr
und Kathodengaszufuhr geregelt werden:
Dabei
gilt:
Durch die Bedingung nach Gleichung (3) wird verhindert, dass wasserstoffhaltiges Brenngas in größeren Mengen von der Anoden- auf die Kathodenseite gelangt. Dies wird beispielsweise durch unterschiedliche Gestaltung der Anoden- und/oder Kathoden-Gaszufuhrkanäle („flow fields") und/oder durch die Einstellung verschiedener Volumenströme erreicht, wodurch ein definierter interner Druckabfall zwischen Gaseinlass und Gasauslass auf der Anoden- bzw. Kathodenseite der Zelle eingestellt wird. Durch den internen Druckabfall über die „flow fields" entsteht eine definierte Druckdifferenz (Δ p) am Ort der Durchführung(en) zwischen Anoden- und Kathodenseite.By the condition according to equation (3) prevents hydrogen-containing Fuel gas in larger quantities from the anode to the cathode side passes. This will be for example by different design of the anode and / or cathode gas supply channels ("flow fields") and / or by the setting of different volume flows achieved, creating a defined internal pressure drop between gas inlet and gas outlet on the Anoden- or cathode side of the cell is set. By the internal pressure drop over the "flow fields "arises a defined pressure difference (Δ p) at the site of the implementation (s) between anode and cathode side.
Des weiteren kann der Betrieb der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit bzw. Brennstoffzelle mittels „internem air bleed" entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich (d.h. zum Beispiel pulsierend) erfolgen. Im pulsierenden Betrieb der Zelle kann die Druckdifferenz (Δ p) beispielsweise über den angelegten Anodengas- bzw. Kathodengasdruck gesteuert werden.Of Further, the operation of the membrane electrode assembly or fuel cell according to the invention by means of "internal air bleed "either continuously or discontinuously (i.e., for example, pulsed). In pulsating operation of the cell, the pressure difference (Δ p), for example, via the applied anode gas or Cathode gas pressure can be controlled.
Über die Einstellung dieser Druckdifferenz (Δ p) sowie beispielsweise über die Positionierung, Art, Anzahl und Durchmesser der Durchführung(en) in der Membran-Elektroden-Einheit stehen verschiedene Parameter zur Verfügung, mit denen die Art, die Menge sowie der Umfang des Luftstrom von der Kathode zur Anode variiert werden kann.About the Adjustment of this pressure difference (Δ p) and, for example via the Positioning, type, number and diameter of the implementation (s) in the membrane-electrode unit Different parameters are available with which the type, the quantity and the amount of air flow from the cathode to the anode varies can be.
In der Praxis hat sich das Vorhandensein mindestens einer Durchführung in der Membran-Elektroden-Einheit bewährt, es sind jedoch auch – in Abhängigkeit von der Betriebsweise der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit – andere Ausführungsformen mit mehreren Durchführungen möglich. In der Regel sind 1 bis 10, vorzugsweise 1 bis 5 Durchführungen in der Membran-Elektroden-Einheit vorhanden. Der Innendurchmesser (d) der Durchführungen liegt typischerweise im Bereich von 5 bis 5000 μm, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 1000 μm.In In practice, the presence has at least one implementation in the membrane-electrode unit proven, but there are also - depending on the operation of the membrane electrode assembly according to the invention - others embodiments with several feedthroughs possible. As a rule, 1 to 10, preferably 1 to 5 lead-throughs present in the membrane-electrode unit. The inner diameter (d) the bushings is typically in the range of 5 to 5000 microns, preferably in the range of 10 to 1000 μm.
In einer ersten Ausführungsform werden die Durchführungen im nicht-aktiven Bereich (d.h. im nicht katalysatorbeschichteten Bereich) der Membran-Elektroden-Einheit angebracht. Bevorzugt werden die Membran-Durchführungen im Bereich der Dichtungsflächen oder des Schutzfilmes am Rand der Membran-Elektroden-Einheit positioniert. Die Durchführungen können mit einem geeignetem Material ausgekleidet bzw. fixiert werden, wobei die Auskleidung Kunststoffe wie beispielsweise Thermoplaste, Duroplaste, Klebstoffe oder Elastomere aufweisen kann und beispielsweise in Form von Kunststoffröhrchen, Kanülen, Hülsen oder Hohlnieten ausgebildet wird.In a first embodiment, the feedthroughs are placed in the non-active region (ie, non-catalyst coated region) of the membrane-electrode assembly. Preferably, the membrane bushings are positioned in the region of the sealing surfaces or the protective film on the edge of the membrane-electrode assembly. The bushings can be lined or fixed with a suitable material, the lining having plastics such as thermoplastics, thermosets, adhesives or elastomers can and is formed for example in the form of plastic tubes, cannulas, sleeves or rivets.
Durch die Fixierung des Innendurchmessers (d) wird eine evtl. Aufweitung und Rissbildung im Dauerbetrieb verhindert. In manchen Fällen wird durch die Auskleidung erreicht, dass die Katalysatorschichten nicht in direktem Kontakt zur Durchführung stehen. Die beschriebene Auskleidung ist optional und hat zur Folge, dass der Innendurchmesser (d) der Durchführung über den gesamten Betriebszeitraum weitgehend konstant bleibt, wodurch im Betrieb ein konstanter Luftstrom gewährleistet ist. Allerdings ist auch ohne eine Auskleidung beim Betrieb im niederen Temperaturbereich (d.h. im Bereich von 20 bis 60°C) eine Vergrößerung des Durchmessers der Durchführung nicht zu erwarten.By the fixation of the inner diameter (d) becomes a possible widening and prevents cracking in continuous operation. In some cases it is through the lining achieves that the catalyst layers are not in direct contact with the implementation. The described lining is optional and has the consequence that the inner diameter (d) of the implementation over the entire period of operation remains largely constant, whereby during operation a constant air flow guaranteed is. However, even without a lining when operating in the lower one Temperature range (i.e., in the range of 20 to 60 ° C) an increase in the Diameter of execution not to be expected.
Eine
Darstellung der ersten Ausführungsform
ist beispielhaft in
Bei
Membran-Elektroden-Einheiten, die nach dem CCB-Verfahren hergestellt
sind (d.h. nach
In einer weiteren Ausführungsform befinden sich die Durchführungen innerhalb der aktiven Fläche der Membran-Elektroden-Einheit. Sie sind jedoch von einer Umrandung aus nicht-aktivem Material (z.B. aus Kunststoffen wie beispielsweise Thermoplasten, Duroplasten, Klebstoffen oder Elastomeren) umgeben. Vorzugsweise besteht die Umrandung der Durchführung aus dem Material des Schutzfilmes.In a further embodiment are the bushings within the active area the membrane-electrode unit. They are, however, of a border of non-active material (e.g., plastics such as Thermoplastics, thermosets, adhesives or elastomers). Preferably, the border of the passage consists of the material of Protective film.
In einer weiteren Ausführungsform weisen eine oder mehrere Durchführungen der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit spezielle Vorrichtungen auf, mit denen der Lufttransport des „internen air bleeds" geregelt bzw. unterbrochen werden kann. Hierzu können ventilartige Vorrichtungen wie beispielsweise Membranventile verwendet werden. Letztere sind aus der Verpackungstechnologie bekannt. Solche Ventile können entweder in den Kanal einer Durchführung eingebaut oder am Eingang einer Durchführung auf der Anoden- oder auf der Kathodenseite angebracht werden. Beim Anlegen einer Druckdifferenz (Δ p) zwischen Kathodenseite und Anodenseite (wobei Δ p = pKathode – pAnode > 0) öffnet sich das Membranventil und ermöglicht einen Transport der Kathodenluft zur Anode. Hierdurch wird ein diskontinuierlicher „interner air bleed" ermöglicht. Liegt dagegen ein höherer Anodengasdruck vor, bleibt das Membranventil geschlossen und verhindert so einen Transport von wasserstoffhaltigem Brenngas zur Kathodenseite.In a further embodiment, one or more feedthroughs of the membrane-electrode assembly according to the invention have special devices with which the air transport of the "internal air bleed" can be regulated or interrupted.For this purpose, valve-like devices such as diaphragm valves can be used . packaging technology known Such valves may either be fitted a passage in the channel or attached to the input of an implementation at the anode or at the cathode side when creating a pressure difference (Δ p) between the cathode side and anode side (where Δ p = p cathode. - p anode > 0), the diaphragm valve opens and allows the cathode air to be transported to the anode, thus enabling a discontinuous "internal air bleed". On the other hand, if there is a higher anode gas pressure, the diaphragm valve remains closed and thus prevents transport of hydrogen-containing fuel gas to the cathode side.
Wird beispielsweise auf der Kathodenseite ein etwas erhöhter Druck angelegt, so kann damit der Lufttransport von der Kathodenseite auf die Anodenseite geregelt werden. Wird der Kathodengasdruck dem Anodengasdruck angeglichen, schliesst sich das Membranventil der Durchführung wieder, so dass keine Luftzufuhr auf die Kathodenseite erfolgt. Geeignete Werte für die Druckdifferenzen (Δ p) liegen dabei im Bereich von 1 bis 1000 mbar, vorzugsweise 5 bis 500 mbar. Geeignete Pulszeiten für einen pulsierenden Betrieb liegen bei 1 Sekunde bis zu drei Stunden, vorzugsweise bei 10 Sekunden bis 180 Sekunden. Im diskontinuierlichen Betrieb kann die Zelle zur Regeneration des Anodenkatalysators auch länger, d.h. bis zu einem bestimmten Endpunkt betrieben werden. Diese flexiblen Betriebsmöglichkeiten sind für verschiedene Anwendungsbereiche von großer Bedeutung.If, for example, a somewhat higher pressure is applied to the cathode side, then the air transport from the cathode side to the anode side can be regulated. If the cathode gas pressure is adjusted to the anode gas pressure, the membrane valve of the implementation closes again, so that no air supply takes place on the cathode side. Suitable values for the pressure differences (Δp) are in the range of 1 to 1000 mbar, preferably 5 to 500 mbar. Suitable pulse times for one pulsating operation are 1 second to three hours, preferably 10 seconds to 180 seconds. In discontinuous operation, the cell for the regeneration of the anode catalyst can also be operated longer, ie up to a certain endpoint. These flexible operating options are of great importance for various applications.
Kombinationen der oben genannten verschiedenen Ausführungsformen sind möglich. Die Durchführungen können grundsätzlich sowohl im aktiven als auch im nicht aktiven Bereich angebracht sein und mit oder ohne Auskleidung versehen sein. Sie können weiterhin mit oder ohne Umrandungen bzw. Aussparungen hergestellt werden. Des weiteren können sie Membranventile oder sonstige Vorrichtungen zur Steuerung des Luft- bzw. Sauerstoffstromes beinhalten.combinations The above various embodiments are possible. The bushings can in principle be installed in both the active and non-active area and be provided with or without lining. You can continue be made with or without borders or recesses. Of others can diaphragm valves or other devices for controlling the Air or oxygen flow include.
Die ionenleitende Membran enthält in der Regel protonenleitende Polymermaterialien. Bevorzugt werden perfluorierte polymere Sulfonsäureverbindungen, z.B. ein Tetrafluorethylen-fluor-vinylether-copolymer mit Sulfonsäuregruppen verwendet. Dieses Material wird unter dem Handelsnamen Nafion® von DuPont vertrieben. Es sind jedoch auch andere, insbesondere fluorfreie Ionomermaterialien, wie dotierte sulfonierte Polyetherketone oder dotierte sulfonierte oder sulfonierte Arylketone, Polysulfone sowie dotierte Polybenzimidazole oder ionenleitende keramische Materialien einsetzbar.The ion-conducting membrane generally contains proton-conducting polymer materials. Preference is given to using perfluorinated polymeric sulfonic acid compounds, for example a tetrafluoroethylene-fluoro-vinyl ether copolymer having sulfonic acid groups. This material is sold under the trade name Nafion ® by DuPont. However, other, in particular fluorine-free ionomer materials, such as doped sulfonated polyether ketones or doped sulfonated or sulfonated aryl ketones, polysulfones and doped polybenzimidazoles or ion-conducting ceramic materials can also be used.
Die Gasverteilersubstrate auf Anoden- und Kathodenseite können aus porösen, elektrisch leitfähigen Materialien wie Kohlefaserpapier, Kohlefaservlies, Kohlefasergewebe, Metallnetze, metallisierte Fasergewebe und ähnlichem bestehen.The Gas distribution substrates on the anode and cathode side can be out porous electrically conductive Materials such as carbon fiber paper, carbon fiber fleece, carbon fiber fabric, Metal nets, metallized fiber fabrics and the like exist.
Als Schutzfilme bzw. Dichtungsmaterialien können organische Polymere eingesetzt werden, die unter den Arbeitsbedingungen der PEM-Brennstoffzelle inert sind und keine störenden Substanzen absondern. Geeignete Materialien sind zum einen thermoplastische Polymere wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, PTFE, PVDF, Polyamid, Polyimid, Polyurethan oder Polyester; zum anderen auch duroplastische Polymere wie beispielsweise Epoxidharze oder Cyanacrylate. Weiterhin geeignet sind Elastomere, wie beispielsweise Silikonkautschuk, EPDM, Fluor-Elastomere, Perfluor-Elastomere, Chloropren-Elastomere, Fluorsilikon-Elastomere.When Protective films or sealing materials can be used organic polymers be under the working conditions of the PEM fuel cell are inert and no disturbing Secrete substances. Suitable materials are thermoplastic Polymers such as polyethylene, polypropylene, PTFE, PVDF, Polyamide, polyimide, polyurethane or polyester; for another thermosetting polymers such as epoxy resins or cyanoacrylates. Also suitable are elastomers, such as, for example, silicone rubber, EPDM, fluoroelastomers, perfluoroelastomers, chloroprene elastomers, Fluorosilicone elastomers.
Der durch den internen Luftstrom zur Anode transportierte Sauerstoff sorgt für eine Reduzierung der anodischen Überspannung, wie sie z.B. durch verschiedene Verunreinigungen (z.B. CO im Reformat oder CO als Rückstand in kommerziellem Wasserstoff) im Anodengas in der PEM-Brennstoffzelle hervorgerufen wird. Man erhält dadurch eine deutliche Leistungsverbesserung der PEMFC, ohne aufwendige Gasreinigungsanlagen oder Regelungsvorrichtungen verwenden zu müssen. Das Brennstoffzellensystem wird damit erheblich vereinfacht und letztlich verbilligt.Of the Oxygen transported through the internal air flow to the anode takes care of a reduction of the anodic overvoltage, as they are e.g. by various impurities (e.g., CO in the reformate or CO as a residue in commercial hydrogen) in the anode gas in the PEM fuel cell becomes. You get a significant improvement in the performance of the PEMFC, without expensive To use gas cleaning equipment or control devices. The Fuel cell system is thus considerably simplified and ultimately cheaper.
Der „interne air bleed" kann auch zur Oxidation bzw. zur Entfernung von weiteren, das Überpotenzial der Anode negativ beeinflussende Verunreinigungen verwendet werden. Beispiele sind Additive, Schwefelverbindungen oder Odorantien, die auf der Katalysatoroberfläche adsorbiert werden.The "internal air bleed " also for the oxidation or for the removal of further, the overpotential the anode negatively affecting impurities are used. Examples are additives, sulfur compounds or odorants, the on the catalyst surface adsorbed.
Anwendungsbeispiele für die erfindungsgemäße Technologie sind Direkt-Methanolbrennstoffzellen (DMFC), mikro-portable Brennstoffzellen sowie Brennstoffzellensysteme für den stationären Bereich. Darüber hinaus kann die Technologie auch für mobile Anwendungen eingesetzt werden, die meistens auf Wasserstoffbasis betrieben werden, wobei der Wasserstoff in Abhängigkeit von seiner Reinheit (z.B. 3N oder 5N) eine Restkonzentration an CO von bis zu 50 ppm enthalten kann.applications for the inventive technology are direct methanol fuel cells (DMFC), micro-portable fuel cells and fuel cell systems for the stationary Area. About that In addition, the technology can also be used for mobile applications which are mostly operated on a hydrogen basis, the Hydrogen depending of its purity (e.g., 3N or 5N), a residual concentration CO may contain up to 50 ppm.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit kann mit allen gängigen Methoden, beispielsweise nach dem CCM-, CCB- oder Abziehbildverfahren erfolgen. Beim CCM-Verfahren wird die katalysatorbeschichtete Membran (CCM) mit Durchführungen versehen. Es kann jedoch auch die Membran-Elektroden-Einheit mit Dichtungsrand bzw. Schutzfilm oder die Ionomermembran selbst mit einer oder mehreren Durchführungen versehen werden. Hierzu können handelsübliche Perforationswerkzeuge (Dorne, Lochstanzen, Nadeln, Lochzangen oder ähnliches) verwendet werden. Der Perforationsprozess kann in einen kontinuierlichen MEE-Herstellungsprozess integriert werden.The Production of the membrane-electrode unit according to the invention can with all common Methods, for example by the CCM, CCB or decal method respectively. In the CCM process, the catalyst-coated membrane (CCM) with bushings Mistake. However, it can also be the membrane electrode assembly with sealing edge or protective film or the ionomer membrane itself with one or more bushings be provided. You can do this commercial Perforation tools (mandrels, hole punches, needles, hole pliers or similar) be used. The perforation process can be continuous MEE manufacturing process to be integrated.
Die Auskleidung der Durchführungen kann mittels Röhrchen, Hülsen, Hohlnieten, aber auch durch Stanzen oder durch Applizieren von Klebstoff erfolgen. Sollen die Durchführungen mit einem Ventil versehen werden, so kann dieses manuell oder maschinell auf oder in der Durchführung positioniert werden und zusätzlich, ggf. mit Klebstoff, befestigt werden. Die hierfür notwendigen Fertigungsschritte sind dem Fachmann bekannt.The Lining of the bushings can by means of tubes, sleeves, Hollow rivets, but also by punching or by applying adhesive done. Should the bushings be provided with a valve, this can manually or mechanically on or in execution be positioned and additionally, if necessary with adhesive, be attached. The necessary manufacturing steps are known in the art.
Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung verdeutlichen.The The following examples illustrate the invention.
BEISPIEL 1EXAMPLE 1
MEE mit Durchführung, kontinuierlicher Betrieb mit „internem air bleed":MEE with implementation, continuous Operation with "internal air bleed ":
Mittels
bekannter Methoden (vgl z.B.
Anschliessend wird die CCM mit Gasverteilersubstraten auf Anodenseite und Kathodenseite versehen und in eine PEM-Einzelzelle mit Bipolarplatten eingebaut. Die Gaszufuhrkanäle der Bipolarplatten werden auf der Anodenseite und Kathodenseite so ausgerichtet, dass sich diese Durchführung gegenüber dem Einlasskanal des Reformatgases am Beginn des Anoden-flowfields sowie gegenüber dem Einlasskanals der Luft am Beginn des Kathoden-flowfields befindet. Dadurch wird ein kontinuierlicher interner Lufttransport möglich.Subsequently the CCM is provided with gas distribution substrates on the anode side and cathode side and installed in a single PEM cell with bipolar plates. The gas supply channels of the bipolar plates are aligned on the anode side and cathode side so that This implementation against the Inlet channel of the reformate gas at the beginning of the anode flowfield as well across from the inlet channel of the air is located at the beginning of the cathode flowfield. This allows a continuous internal air transport.
Die
PEM-Einzelzelle wird in einem Standard-Brennstoffzellenteststand
vermessen, der über eine
elektronische Last verfügt.
Die Messungen erfolgen unter Verwendung von synthetischem Reformat mit
einer Gaszusammensetzung von 75% H2, 25% CO2, und 300 ppm CO auf der Anodenseite sowie Luft
auf der Kathodenseite. Die Gase werden anodenseitig mit einem Umsatz
von 30 % und auf der Kathode mit einem Umsatz von 20 % eingestellt.
Durch die unterschiedliche Geometrien der flowfields und die gewählten Gasmengen
entsteht an der Durchführung
eine Druckdifferenz zwischen Kathoden- und Anodenseite. Die Druckdifferenz
(Δ p) beträgt 10 mbar.
Die Zelltemperatur liegt bei 40°C.
Bei einer konstanten Spannung von 670 mV erhält man eine Stromdichte von
ca. 200 mA/cm2. Damit wird eine durchschnittliche
Leistungsdichte von ca 120–140 mW/cm2 erreicht. Diese hohe Leistung kann im Dauertest über einen
Zeitraum von mehr als 200 h aufrecht erhalten werden (vgl.
VERGLEICHSBEISPIEL 1COMPARATIVE EXAMPLE 1
MEE ohne Durchführung, kontinuierlicher Betrieb ohne „internen air bleed":MEE without execution, continuous Operation without "internal air bleed ":
Eine katalysatorbeschichtete Membran (catalyst-coated membrane „CCM") mit 25 cm2 (5 × 5 cm) wird wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, es wird jedoch keine Durchführung angebracht, so dass kein „interner air bleed" erfolgt.A 25 cm 2 (5 x 5 cm) catalyst-coated membrane (CCM) is prepared as described in Example 1, but no feedthrough is performed so that no "internal air bleed" occurs.
Die CCM wird mit Gasverteilersubstraten auf Anodenseite und Kathodenseite versehen, in eine PEM-Einzelzelle eingebaut und in einem Standard-Brennstoffzellenteststand vermessen. Die Messbedingungen sind identisch mit den in Beispiel 1 beschriebenen.The CCM comes with gas distribution substrates on anode side and cathode side fitted into a single PEM cell and in a standard fuel cell test stand measured. The measurement conditions are identical to those in Example 1 . described
Bei
einer Zellspannung von 670 mV erhält man eine Stromdichte von
ca. 50 mA/cm2, was einer typischen Leistungsdichte
von 35 mW/cm2 entspricht. Dieser Wert liegt
um etwa 100 mW/cm2 unter dem Wert des erfindungsgemäßen Beispiels
1 (vgl.
BEISPIEL 2EXAMPLE 2
MEE mit Durchführung, pulsierender Betrieb mit „internem air bleed":MEE with bushing, pulsating Operation with "internal air bleed ":
Es wird, wie in Beispiel 1 beschrieben, eine katalysatorbeschichtete Membran (catalyst-coated membrane, „CCM") mit 25 cm2 (5 × 5 cm) aktiver Katalysatorfläche hergestellt. Die Katalysatorbeladung beträgt 0.4 mg/cm2 PtRu auf der Anode sowie 0.4 mg/cm2 Pt auf der Kathode. Die Ionomermembran ist eine perfluorierte Polymerelektrolytmembran mit einer Dicke von 25 μm, im Randbereich der CCM ist auf beiden Seiten umlaufend ein Polyurethan-Schutzfilm mit Breite von 1 cm und einer Dicke von 50 μm. In diesen Randbereich wird mit Hilfe eines Dorns eine Durchführung mit einem Innendurchmesser von d = 1 mm eingebracht. Für den pulsierenden Betrieb mit „internem air bleed" wird die Durchführung auf der Anodenseite mit einem Membranventil versehen.A catalyst coated membrane ("CCM") with 25 cm 2 (5 x 5 cm) active catalyst area is prepared as described in Example 1. The catalyst loading is 0.4 mg / cm 2 PtRu on the anode and 0.4 mg / cm 2 Pt on the cathode The ionomer membrane is a perfluorinated polymer electrolyte membrane with a thickness of 25 microns, in the edge region of the CCM is on both sides circumferentially a polyurethane protective film with a width of 1 cm and a thickness of 50 microns a passage with an internal diameter of d = 1 mm is introduced with the aid of a mandrel For the pulsating operation with "internal air bleed", the passage on the anode side is provided with a diaphragm valve.
Anschliessend wird die CCM mit Gasverteilersubstraten auf Anodenseite und Kathodenseite kombiniert und, wie in Beispiel 1 beschrieben, in eine PEM-Einzelzelle mit Bipolarplatten eingebaut.Subsequently the CCM is combined with gas distribution substrates on anode side and cathode side and, as described in Example 1, in a single PEM cell with Bipolar plates installed.
Die PEM-Brennstoffzelle wird zunächst bei normalem Druck (p = 1 bar) mit synthetischem Reformat der Gaszusammensetzung 75% H2, 25% CO2, und 300 ppm CO auf der Anodenseite betrieben, Luft wird auf der Kathodenseite verwendet. Die Zelltemperatur beträgt konstant 40°C. Nachdem aufgrund der CO-Vergiftung des Anodenkatalysators die Zellspannung auf weniger als 200 mV gesunken ist, wird der Ka thodendruck mit Hilfe des Druckreglers um 50 mbar erhöht (Druckdifferenz Δ p = 50 mbar). Dadurch gelangt ein geregelter Luftstrom auf die Anodenseite, der Anodenkatalysator wird dadurch regeneriert. Innerhalb von 1 Minute steigt die Zellspannung wieder auf den Ausgangswert an. Danach wird der Kathodendruck wieder auf 1 bar zurückgeregelt. Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden, wobei Pulszeiten von 1 Sekunde bis zu drei Stunden möglich sind.The PEM fuel cell is first operated at normal pressure (p = 1 bar) with synthetic gas mixture reformate 75% H 2 , 25% CO 2 , and 300 ppm CO on the anode side, air is used on the cathode side. The cell temperature is constantly 40 ° C. After due to the CO poisoning of the anode catalyst, the cell voltage has dropped to less than 200 mV, the cathode pressure is increased by means of the pressure regulator by 50 mbar (pressure difference Δ p = 50 mbar). As a result, a controlled air flow reaches the anode side, the anode catalyst is thereby regenerated. In Within 1 minute, the cell voltage rises again to the initial value. Thereafter, the cathode pressure is regulated back to 1 bar. This process can be repeated any number of times, with pulse times of 1 second to three hours are possible.
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