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DE29823321U1 - Combination of electrolysis and fuel cells - Google Patents

Combination of electrolysis and fuel cells

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DE29823321U1
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fuel cell
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oxygen
catalyst
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Description

Kombination aus Elektrolyse- und BrennstoffzelleCombination of electrolysis and fuel cell

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle mit polymeren Elektrolyten, die als Brennstoffzelle oder als Elektrolysezelle betrieben werden kann. Das Redoxsystem H2,O2/H2O kann damit umkehrbar verschoben werden.The invention relates to an electrochemical cell with polymer electrolytes that can be operated as a fuel cell or as an electrolysis cell. The redox system H2,O2/H2O can thus be reversibly shifted.

Die Zelle enthält zwei unterschiedliche, mit Katalysator versehene Elektroden die gegenüber auf den Oberflächen einer H+-Ionen leitenden, gasdichten Polymerelektrolyt-Membran angeordnet sind. Diese Einheit aus Membran und Elektroden ( membrane-electrode assembly, MEA) wird zwischen die beiden Hälften eines geeigneten Zellkörpers eingedichtet, sodaß den Elektroden ohne Verlust oder Durchmischung Gase zugeföhrt bzw. Gase von den Elektroden abgeführt werden können. Es ist auch die Reihenschaltung der Zellen mittels Bipolarplatten zu einem Stack möglich.The cell contains two different electrodes, each provided with a catalyst, which are arranged opposite each other on the surfaces of a gas-tight polymer electrolyte membrane that conducts H+ ions. This unit consisting of membrane and electrodes (membrane-electrode assembly, MEA) is sealed between the two halves of a suitable cell body so that gases can be supplied to the electrodes or gases can be removed from the electrodes without loss or mixing. It is also possible to connect the cells in series to form a stack using bipolar plates.

Für die erfindungsgemäße Zelle sind zwei Betriebsarten möglich:Two operating modes are possible for the cell according to the invention:

a) Brennstoffzellenbetrieb: Erzeugung von elektrischer Leistung durch Verbrauch von Wasserstoff und Sauerstoff; das Abfallprodukt ist Wasser.a) Fuel cell operation: generation of electrical power by consuming hydrogen and oxygen; the waste product is water.

b) Elektrolysebetrieb: Verbrauch von elektrischer Leistung und Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff.b) Electrolysis operation: consumption of electrical power and water to produce hydrogen and oxygen.

Der Wasserstoff befindet sich unabhängig von der Betriebsart immer in der gleichen Zellhälfte. Die Elektrode dieser Zellhälfte dient im Brennstoffzellenbetrieb als Anode und im Elektrolysebetrieb als Kathode. Umgekehrt verhält es sich mit der Elektrode, in der Sauerstoff umgesetzt wird: Im Brennstoffzellenbetrieb wirkt sie als Kathode und im Elektrolysebetrieb als Anode.
Die Sauerstoffelektrode besitzt in beiden Betriebsarten ein positives Potential gegenüber der Wasserstorfelektrode.
The hydrogen is always in the same half of the cell, regardless of the operating mode. The electrode in this half of the cell serves as the anode in fuel cell operation and as the cathode in electrolysis operation. The opposite is true for the electrode in which oxygen is converted: in fuel cell operation it acts as the cathode and in electrolysis operation as the anode.
In both operating modes, the oxygen electrode has a positive potential compared to the hydrogen electrode.

Der Wechsel zwischen den beiden Betriebsarten wird nur durch die Wahl der Klemmspannung der Zelle bestimmt: Bei Spannungen von weniger als 1.01 V wirkt die Zelle als Brennstoffzelle, d.h. Wasserstoff wird am Minuspol, Sauerstoff am Pluspol verbraucht. Die Zelle gibt dabei elektrische Leistung ab. Beträgt die von einer externen Energiquelle erzeugte Klemmspannung mehr als 1.48 V, so werden Wasserstoff und Sauerstoff an den entsprechenden Polen erzeugt. Die Zelle entnimmt die notwendige Leistung der externen elektrischen Energiequelle.The change between the two operating modes is determined only by the choice of the cell's terminal voltage: At voltages of less than 1.01 V, the cell acts as a fuel cell, i.e. hydrogen is consumed at the negative pole and oxygen at the positive pole. The cell then emits electrical power. If the terminal voltage generated by an external energy source is more than 1.48 V, hydrogen and oxygen are generated at the corresponding poles. The cell draws the necessary power from the external electrical energy source.

Der Spannungsbereich zwischen 1.01 V und 1.48V ist Undefiniert, es fließt hier im Vergleich zu den Betriebsbereichen jedoch nur sehr wenig Strom.The voltage range between 1.01 V and 1.48 V is undefined, but very little current flows here compared to the operating ranges.

Die Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff können von der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle bei Über- oder Unterdruck in beiden Betriebsarten verarbeitet werden. Die Betriebsspannungsbereiche verschieben sich dabei allerdings geringfügig.The reaction gases hydrogen and oxygen can be processed by the electrochemical cell according to the invention under either overpressure or underpressure in both operating modes. However, the operating voltage ranges shift slightly.

Wechseln die Betriebsarten a) und b) mit gleichem, nicht zu großem Stofrümsatz, so kann das verbrauchte bzw. erzeugte Wasser in einer besonders dafür ausgebildeten Elektrodenstruktur vorwiegend in der SauerstofFelektrode - gespeichert werden. Externe Wasserzufuhr ist dann nicht notwendig.If operating modes a) and b) alternate with the same, but not too high, material conversion, the water used or produced can be stored in a specially designed electrode structure - primarily in the oxygen electrode. An external water supply is then not necessary.

Die erfindungsgemäße Zelle kann zusammen mit zwei Gasbehältern als Energiespeicher für elektrische Energie verwendet werden. Der Vorteil gegenüber Akkumulatoren ist die enorm große Zyklenzahl und die Tatsache, daß die speicheirbare Energiemenge nur vom Fassungsvermögen der Gasbehälter und nicht von der Größe der Zelle abhängt. Große Energiemengen sind daher kostengünstig zu speichern. Die Selbstentladungsrate ist vernachläßigbar, sie hängt nur von der Dichtigkeit des Gasspeichersystems ab. Um den Gastank für Sauerstoff zu eliminieren, ist es möglich und in gewissen Anwedungsfällen sinnvoll, die Zelle mit dem Sauerstoff der Luft zu betreiben. The cell according to the invention can be used together with two gas containers as an energy storage device for electrical energy. The advantage over accumulators is the enormously large number of cycles and the fact that the amount of energy that can be stored depends only on the capacity of the gas container and not on the size of the cell. Large amounts of energy can therefore be stored inexpensively. The self-discharge rate is negligible; it only depends on the tightness of the gas storage system. In order to eliminate the gas tank for oxygen, it is possible and in certain applications sensible to operate the cell with oxygen from the air.

Der für Energiespeicher wünschenswerte hohe Lade- Entladewirkungsgrad wurde bei der vorliegenden Erfindung unter Beibehaltung kostengünstiger Materialien und eines einfachen Aufbaus optimiert. Er beträgt maximal 68% und bei für diese Zelle typischen Stromdichten etwa 50%.The high charge-discharge efficiency desirable for energy storage devices has been optimized in the present invention while maintaining inexpensive materials and a simple structure. It is a maximum of 68% and, at current densities typical for this cell, about 50%.

Die Anwendungen betreffen im einzelnen:The applications concern in detail:

1) Elektrofahrzeuge: Mittels der vorliegenden Erfindungjcann Energie aus den generatorisch arbeitenden Elektromotoren eines Fahrzeugs beim Bremsvorgang gespeichert werden (Betriebsart b). Diese Energie steht dann für Beschleunigungsphasen wieder in Form von elektrischer Energie zur Verfugung (Betriebsart a).1) Electric vehicles: Using the present invention, energy from the generator-operating electric motors of a vehicle can be stored during braking (operating mode b). This energy is then available again in the form of electrical energy for acceleration phases (operating mode a).

2) Aufgrund der großen Lebensdauer der kombinierten Elektrolyse- und Brennstoffzelle kann diese vorteilhaft als Notstromversorgung^eingesetzt werden.2) Due to the long service life of the combined electrolysis and fuel cell, it can be used advantageously as an emergency power supply.

3) Im Bereich der Netzregelung^ können lang- und kurzfristige Spannungsschwankungen im Stromnetz und Spitzenlast ausgeglichen werden. Besonders bei kurzfristigen Lade und Entladezyklen kann die vorliegende Erfindung^ aufgrund des einfachen Wassermanagements vorteilhaft eingesetzt werden.3) In the area of grid control^, long-term and short-term voltage fluctuations in the power grid and peak loads can be compensated. The present invention^ can be used particularly advantageously in short-term charging and discharging cycles due to the simple water management.

4) Energiespeicherung in der Raumfahrt.4) Energy storage in space travel.

5) Als Lehrmittel dient die Erfindung einschließlich zweier kleiner Gasbehälter als einfachst mögliche Darstellung der denkbaren zukünftigen Wasserstoffwirtschaft.5) As a teaching aid, the invention, including two small gas containers, serves as the simplest possible representation of the conceivable future hydrogen economy.

In der Literatur findet man bereits Beschreibungen von elektrochemischen Zellen ähnlicher Bauart, die allerdings gegenüber der vorliegenden Erfindung schwerwiegende Nachteile aufweisen.
Die in „Hydrogen/Oxygen SPER electrochemical devices for Zero-G applications, Proceedings of the European Space Power Conference; Madrid, Spanien, 2.-6. Oktober 1989" beschriebene Zelle enthält zwar eine Elektrode, die Sauerstoff im Brennstoffzellenbetrieb verbraucht und im Elektrolysebetrieb erzeugt. Allerdings ist der Elektrolysewirkungsgrad aufgrund der Wahl von Platin als Katalysator relativ schlecht. Die Überspannung der Wasseroxidation zu Sauerstoff an Platin beträgt typischerweise etwa 0.25V. Platin wurde aufgrund seiner überlegenen Eigenschaften bei der Sauerstoffreduktion im Brennstoffzellenbetrieb eingesetzt.
In the literature one can already find descriptions of electrochemical cells of a similar design, which, however, have serious disadvantages compared to the present invention.
The cell described in "Hydrogen/Oxygen SPER electrochemical devices for Zero-G applications, Proceedings of the European Space Power Conference; Madrid, Spain, October 2-6, 1989" does contain an electrode that consumes oxygen in fuel cell operation and generates it in electrolysis operation. However, the electrolysis efficiency is relatively poor due to the choice of platinum as the catalyst. The overpotential for water oxidation to oxygen on platinum is typically about 0.25V. Platinum was used in fuel cell operation due to its superior properties in oxygen reduction.

Ein weiterer Nachteil des überhöhten anodischen Potentials bei Einsatz von reinen Platinkatalysatoren in der Sauerstoffelektrode ist die Tatsache, daß handelsübliche und kostengünstige Elektrodenmaterialien aus Kohlenstoff innerhalb kurzer Zeit oxidativ geschädigt werden (siehe DE 40 27 655 Cl). Man kann sich für relativ kurze Betriebszeiten mit Schwämmen oder Sintermaterialien aus Titan behelfen, aber auch hier beobachtet man eine Verdickung der oberflächlichen Oxidhaut und damit eine Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit.A further disadvantage of the excessive anodic potential when using pure platinum catalysts in the oxygen electrode is the fact that commercially available and inexpensive electrode materials made of carbon are damaged by oxidation within a short time (see DE 40 27 655 Cl). Sponges or sintered materials made of titanium can be used for relatively short operating times, but here too a thickening of the superficial oxide skin is observed and thus a reduction in electrical conductivity.

Daiedoch effektive Elektrokatalysatoren zur Wasseroxidation bekannt sind (z.B. Iridium, Rhodium und deren Oxide), die allerdings nur sehr geringe Aktivität bezüglich der Sauerstoffreduktion aufweisen (aber gute bzgl. Wasserstoffoxidation), konnten die oben genannten Probleme des geringen Wirkungsgrades und (teilweise) der Materialzersetzung in DE 40 27 655 Cl durch Austausch der Gase bei Wechsel der Betriebsart gelöst werden. Soll etwa von Betriebsart a) nach Betriebsart b) gewechselt werden so müssen zunächst beide Elektrodenräume mit einem Inertgas gespült werden. Anschließend wird in dem vorigen Sauerstoffelektrodenraum Wasserstoff einge-Although effective electrocatalysts for water oxidation are known (e.g. iridium, rhodium and their oxides), which, however, have only very low activity with regard to oxygen reduction (but good with regard to hydrogen oxidation), the above-mentioned problems of low efficiency and (partial) material decomposition in DE 40 27 655 Cl could be solved by exchanging the gases when changing the operating mode. If, for example, you want to change from operating mode a) to operating mode b), both electrode chambers must first be flushed with an inert gas. Hydrogen is then introduced into the previous oxygen electrode chamber.

leitet und umgekehrt. Diese Prozedur verursacht Gasverluste und macht ein kompliziertes Ventilsystem und die Bevorratung des Spülgases notwendig. Ein weitere Nachteil ist die Zeitdauer, die beim Wechsel der Betriebsarten verstreicht. Ein Einsatz als Energiespeicher in einem Elektrofahrzeug ist damit ausgeschlossen oder zumindest stark eingeschränkt.and vice versa. This procedure causes gas losses and requires a complicated valve system and the storage of purge gas. Another disadvantage is the amount of time that elapses when changing operating modes. Use as an energy storage device in an electric vehicle is therefore impossible or at least severely limited.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kombinierte Elekrolyse- und Brennstoffzelle zu entwickeln die mit geringen Überspannungen arbeitet und aus kostengünstigen Kohlenstoffmaterialien aufgebaut werden kann. Weiterhin kann bei der erfindungsgemäßen Zelle innerhalb weniger Millisekunden zwischen den beiden Betriebsarten umgeschalten werden. Zyklen mit ausgeglichener Lade-Entlade-Bilanz können ohne Wasserumwälzung ausgeführt werden.The invention is therefore based on the object of developing a combined electrolysis and fuel cell that operates with low overvoltages and can be constructed from inexpensive carbon materials. Furthermore, the cell according to the invention can switch between the two operating modes within a few milliseconds. Cycles with a balanced charge-discharge balance can be carried out without water circulation.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der Sauerstoffelektrode ein Mischkatalysator verwendet wird, bei dem eine Komponente die Sauerstoffreduktion optimal katalysiert,während die andere Komponente für die Wasseroxidation zuständig ist. Durch graduelle Abstufung der Hydrophobierung des Katalysatorträgers kann ein Wasservorrat in der Elektrode ohne Überschwemmung des Katalysators gehalten werden.This object is achieved according to the invention by using a mixed catalyst on the oxygen electrode, in which one component optimally catalyzes the oxygen reduction, while the other component is responsible for water oxidation. By gradually reducing the hydrophobicity of the catalyst carrier, a water supply can be maintained in the electrode without flooding the catalyst.

Die Wasserstoffelektrode einschließlich Katalysator ist für die vorliegende Erfindung unkritisch. Es können Standardanoden aus der Brennstoffzellentechnologie verwendet werden. Aus kostengründen optimal sind etwa die Gasdifiusionselektroden nach DE 195 44 323 Al die geringe Mengen eines geträgerten Katalysators, nämlich Platin auf Kohlenstoff verwenden. Die Wasserstoffoxidation in Betriebsart a) und die Reduktion der H+ Ionen der Betriebsart b) werden beide nahezu ohne Durchtrittsüberspannung katalysiert. Die Gaszu- bzw. -abfuhr wird durch das poröse Elektrodenmaterial ermöglicht.The hydrogen electrode including catalyst is not critical for the present invention. Standard anodes from fuel cell technology can be used. For cost reasons, the gas diffusion electrodes according to DE 195 44 323 Al are optimal, as they use small amounts of a supported catalyst, namely platinum on carbon. The hydrogen oxidation in operating mode a) and the reduction of the H+ ions in operating mode b) are both catalyzed with almost no overvoltage. The gas supply and removal is made possible by the porous electrode material.

Die Sauerstoffelektrode wird am besten mit einer Mischung aus Platin-Mohr und Iridium-Mohr katalysiert. Das Massenverhältnis von Platin und Iridium liegt bevorzugt im Bereich von 1 zu 10 bis 10 zu 1. Die Gesamtedelmetallbelegung liegt zwischen 0.2 mg/cm2 und 10 mg/cm2. Platin katalysiert im Brennstoffzellenbetrieb die Sauerstoffreduktion mit kleinst möglicher Überspannung, während Iridium die Wasseroxidation mit sehr gutem Wirkungsgrad ermöglicht. Die beiden Katalysatoren stören sich erstaunlicherweise gegenseitig^ nicht. Es können sogar Legierungskatalysatoren aus diesen Elementen eingesetzt werden. Weiterhin kann an Stelle oder zusätzlich zu Iridium auch Iridiumoxid, Rhodium, Osmium und deren Oxide eingesetzt werden.The oxygen electrode is best catalyzed with a mixture of platinum-black and iridium-black. The mass ratio of platinum and iridium is preferably in the range of 1:10 to 10:1. The total precious metal coverage is between 0.2 mg/cm 2 and 10 mg/cm 2 . In fuel cell operation, platinum catalyzes oxygen reduction with the smallest possible overvoltage, while iridium enables water oxidation with very good efficiency. Surprisingly, the two catalysts do not interfere with each other. Alloy catalysts made from these elements can even be used. Furthermore, iridium oxide, rhodium, osmium and their oxides can also be used instead of or in addition to iridium.

Werden hohe Lebensdauern verlangt, so sollten Katalysatoren ohne Ruß als Trägermaterial eingesetzt werden. Um den Katalysator optimal an das H+-Ionen leitende Membranmaterial anzubinden, werden die Katalysatorpartikel mit geringen Mengen an H+-Ionen leitendem Polymer vermischt und in einer dünnen Schicht nahe der Membran angebracht. Die Sauerstoffelektrode hat neben der katalytischen Wirkung auch noch den Gasaustausch und die Zu- bzw. Abfuhr von Wasser zu ermöglichen. Für den Brennstoffzellenbetrieb ist es von erheblichen Nachteil, wenn die Katalysatorschicht ganz oder teilweise mit Produktwasser überschwemmt ist. Der Sauerstoffzutritt wird dadurch verhindert. Im Elektrolysebetrieb benötigt man jedoch Wasser möglichst nahe an der Katalysatorschicht.If long service lives are required, catalysts without soot as a carrier material should be used. In order to optimally bind the catalyst to the H+ ion-conducting membrane material, the catalyst particles are mixed with small amounts of H+ ion-conducting polymer and applied in a thin layer close to the membrane. In addition to the catalytic effect, the oxygen electrode must also enable gas exchange and the addition or removal of water. It is a significant disadvantage for fuel cell operation if the catalyst layer is completely or partially flooded with product water. This prevents oxygen from entering. In electrolysis operation, however, water is required as close to the catalyst layer as possible.

Die Elektrode besteht daher aus einer stark hydrophobierten feinporigen Katalysatorschicht und einer oder mehrerer Gasdiffusionsschichten die mit zunehmendem Abstand von Katalysator und Membran von hydrophob nach hydrophil wechseln. In Betriebsart a) wird das entstehende Wasser aus den Poren des Katalysators hinausgedrängt und sammelt sich im hydrophileren Teil der Elektrode. The electrode therefore consists of a highly hydrophobic, fine-pored catalyst layer and one or more gas diffusion layers that change from hydrophobic to hydrophilic as the distance between the catalyst and the membrane increases. In operating mode a), the water that forms is forced out of the pores of the catalyst and collects in the more hydrophilic part of the electrode.

Im Elektrolysebetrieb kann dieses Wasser wieder verdunsten und steht am Katalysator sogar dampfförmig zur Verfugung. Erhöhte Betriebstemperaturen sind daher von Vorteil. Der katalysatorabgewandte Teil der Elektrode wirkt als Produkt- bzw. Reaktionswasserspeicher. Bei großflächigen Elektroden ist es von Vorteil, die hydrophile Außenschicht der Elektrode in gewissen Abständen zu unterbrechen, um den Gaszutritt zur hydrophoben Schicht zu ermöglichen. Typischerweise liegt die Gesamtdicke der Sauerstoffelektrode bei 0.1 bis 2.5 mm, bevorzugt im Bereich von 0.4 bis 1.4 mm.During electrolysis, this water can evaporate again and is even available in vapor form on the catalyst. Increased operating temperatures are therefore advantageous. The part of the electrode facing away from the catalyst acts as a product or reaction water reservoir. With large-area electrodes, it is advantageous to interrupt the hydrophilic outer layer of the electrode at certain intervals to allow gas access to the hydrophobic layer. The total thickness of the oxygen electrode is typically 0.1 to 2.5 mm, preferably in the range of 0.4 to 1.4 mm.

Die Gasdiffusionsschicht wird bevorzugt aus ein oder mehreren Lagen von unterschiedlich hydrophobisiertem Kohlefaserpapier (Toray, Jap.) oder von Gasdiffusionsschichten mit unterschiedlichem PTFE Gehalt nach DE 195 44 323 Al hergestellt. Das Kohlefaserpapier läßt sich durch Tränken mit einer PTFE Suspension (oder einer Suspension eines anderen geeigneten Materials) und anschließendem Trocknen und evtl. Sintern hydrophobisieren. Der Grad an Hydrophobizität hängt dabei von der Konzentration der Suspension ab. Wird PTFE zur Hydrophobierung verwendet, so wird bevorzugt ein Gehalt zwischen 5 und 60 % im Kohlefaserpapier angestrebt. Einen weiteren Einfluß haben Porengrößen auf den Grad der Hydrophobizität: Kleine Poren wirken hydrophober als große.The gas diffusion layer is preferably made from one or more layers of differently hydrophobized carbon fiber paper (Toray, Jap.) or from gas diffusion layers with different PTFE contents according to DE 195 44 323 Al. The carbon fiber paper can be hydrophobized by impregnating it with a PTFE suspension (or a suspension of another suitable material) and then drying and possibly sintering. The degree of hydrophobicity depends on the concentration of the suspension. If PTFE is used for hydrophobicization, a content of between 5 and 60% in the carbon fiber paper is preferably aimed for. Pore size also influences the degree of hydrophobicity: small pores appear more hydrophobic than large ones.

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Um das Kohlenstoffinaterial zusätzlich gegen die oxidative Wirkung des hohen positiven Potentials der Sauerstoffelektrode zu schützen, kann der Suspension geringe Mengen von Iridium, Rhodium und/oder Osmium und/oder deren Oxiden mit hoher Oberfläche zugegeben werden, um lokal auftretende Überhöhungen des Potentials aufzuheben. Diese Imprägnierung kann auch in einem gesondertem Verfahrensschritt erfolgen. Eine weitere Möglichkeit die kohlenstoffhaltige Gasdiffusionsschicht zu schützen bietet das Auftragen einer dünnen, hydrophoben Schicht aus Edelmetall Mohr ohne Zumischung^von ionerdeitenden Polymer. Bevorzugt wird eine Edelmetallbeladung von 1 bis 10 mg/cm2 und ein Bindergehalt von 5 bis 50 % verwendet. Als Binder eignet sich z.B PTFE, welches als Suspension verarbeitet wird.In order to protect the carbon material additionally against the oxidative effect of the high positive potential of the oxygen electrode, small amounts of iridium, rhodium and/or osmium and/or their oxides with a high surface area can be added to the suspension in order to eliminate locally occurring increases in the potential. This impregnation can also be carried out in a separate process step. Another possibility for protecting the carbon-containing gas diffusion layer is to apply a thin, hydrophobic layer of noble metal Mohr without the addition of ion-degrading polymer. A noble metal loading of 1 to 10 mg/cm 2 and a binder content of 5 to 50% are preferred. PTFE, for example, is suitable as a binder and is processed as a suspension.

Ein Verbund zwischen den Elektroden und der Membran wird bevorzugt durch Heißpressen erzeugt. Die Pressdrücke liegen zwischen 10 und 500 bar, bevorzugt zwischen 50 und 120 bar. Die Temperaturen liegen im Bereich von 200C bis 2000C, bevorzugt zwischen 8O0C und 1400C.A bond between the electrodes and the membrane is preferably created by hot pressing. The pressing pressures are between 10 and 500 bar, preferably between 50 and 120 bar. The temperatures are in the range from 20 0 C to 200 0 C, preferably between 80 0 C and 140 0 C.

Beispiel:Example:

Als Elektrolyt dient die Membran Nafion 115. Sie wird vor der Herstellung der Membran-Elektroden-Einheit zuerst in 1 molarer Schwefelsäure und anschließend in deionisiertem Wasser konditioniert. Die Membran wird bei Raumtemperatur getrocknet.The Nafion 115 membrane serves as the electrolyte. Before the membrane electrode assembly is manufactured, it is first conditioned in 1 molar sulfuric acid and then in deionized water. The membrane is dried at room temperature.

Die Wasserstoffelektrode wird nach den Verfahren aus DE 195 44 323 Al mit zwei Gasdiffusionsschichten und mit 0.2 mg/cm2 Platin als Katalysator hergestellt.The hydrogen electrode is manufactured according to the process of DE 195 44 323 Al with two gas diffusion layers and with 0.2 mg/cm 2 platinum as catalyst.

Der Katalysatorträger der Sauerstoffelektrode ist ein Kohlefaserpapier mit mehr als 70% offener Poren und einer Dicke von 1.4 mm (z.B.Toray TGPH-1.4 t). Es wird zunächst mit der PTFE Suspension (TF 5235 von Dyneon), die im Verhältnis 1:6 mit Wasser verdünnt wurde getränkt und dann getrocknet. Anschließend wird dieses Material bei einer Temperatur von 2750C nachbehandelt. The catalyst carrier of the oxygen electrode is a carbon fiber paper with more than 70% open pores and a thickness of 1.4 mm (eg Toray TGPH-1.4 t). It is first impregnated with the PTFE suspension (TF 5235 from Dyneon), which has been diluted with water in a ratio of 1:6, and then dried. This material is then post-treated at a temperature of 275 0 C.

Die Katalysatorsuspension für die Sauerstoffseite wird aus 0.6 g Platin Mohr, 0.4 g Iridium Mohr, 2 g Wasser, 1.25 g Nafion Lösung (Aldrich) und 0.2 g PTFE Pulver (TF 9202 von Dyneon) durch intensives Mischen in einer Kugelmühle hergestellt.The catalyst suspension for the oxygen side is prepared from 0.6 g platinum Mohr, 0.4 g iridium Mohr, 2 g water, 1.25 g Nafion solution (Aldrich) and 0.2 g PTFE powder (TF 9202 from Dyneon) by intensive mixing in a ball mill.

Diese Suspension wird auf das Kohlefaserpapier aufgetragen und getrocknet. Sie dringt aufgrund der Hydrophobierung nicht ein. Die Edelmetallbelegung beträgt etwa 5 mg/cm2.This suspension is applied to the carbon fiber paper and dried. It does not penetrate due to the hydrophobic treatment. The precious metal coverage is about 5 mg/cm 2 .

Der Verbund aus Membran und Elektroden wird durch Heißpressen fiir 30 Sekunden mit 80 bar Druck bei 13O0C hergestellt. Diese Einheit wird nun mit einem hydrophilen Kohlefaserfilz (z.B. GFD2 von SGL Carbon AG) auf der Sauerstoflseite hinterlegUind in einen geeigneten Zellkörper eingebaut. Nach einer Einlaufphase von einigen Stunden bei etwa 800C mit ausreichendem Wasserangebot können folgende Werte erreicht werden:The membrane and electrodes are assembled by hot pressing for 30 seconds at 80 bar pressure at 130 0 C. This unit is then backed with a hydrophilic carbon fiber felt (eg GFD2 from SGL Carbon AG) on the oxygen side and installed in a suitable cell body. After a running-in phase of a few hours at about 80 0 C with sufficient water supply, the following values can be achieved:

Betriebstemperatur 80° C:Operating temperature 80° C:

Bei einer Stromdichte von 150 mA/cm2 beträgt die Elektrolysespannung 1.67 V und die Spannung im Brennstoffzellenbetrieb 0.81 VAt a current density of 150 mA/cm 2, the electrolysis voltage is 1.67 V and the voltage in fuel cell operation is 0.81 V

Betiebstemperatur 20° C:Operating temperature 20° C:

Bei einer Stromdichte von 150 mA/cm2 beträgt die Elektrolysespannung 1.74 V und die Spannung im Brennstoffzellenbetrieb 0.74 V.At a current density of 150 mA/cm 2, the electrolysis voltage is 1.74 V and the voltage in fuel cell operation is 0.74 V.

Die maximale kurzfristige Strombelastbarkeit liegt weit über 1 A/cm2 . Die Zeitdauer, die zum Umschalten zwischen den Betriebsarten notwendig ist, wird nur durch die Zeitkonstante des RC-Gliedes bestimmt, das aus dem Elektrodenwiderstand und der Doppelschichtkapazität der Zelle gebildet wird. Sie liegt im Bereich von etwa 50 ms.The maximum short-term current carrying capacity is well over 1 A/cm 2 . The time required to switch between the operating modes is determined only by the time constant of the RC element, which is formed from the electrode resistance and the double-layer capacitance of the cell. It is in the range of about 50 ms.

Bei z.B. periodischem Lade- und Entladebetrieb mit ausgeglichener Stoöbilanz können etwa 240 As pro cm2 Elektrodenfläche ohne Wasserzu- oder -abfuhr in einer Betriebsart umgesetzt werden. For example, in periodic charging and discharging operations with a balanced shock balance, approximately 240 As per cm 2 electrode area can be converted in one operating mode without water supply or removal.

Claims (8)

1. Kombination aus Elektrolyse- und Brennstoffzelle bestehend aus einer als Anode bzw. Kathode wirkenden Sauerstoffelektrode, einer ebenfalls als Kathode bzw. Anode wirkenden Wasserstoffelektrode und einer Festelektrolytmembran, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator der Sauerstoffelektrode aus mehreren Komponenten besteht, von denen mindestens eine im wesentlichen die Sauerstoffreduktion und eine weitere im wesentlichen die Wasseroxidation durchführt. 1. Combination of electrolysis and fuel cell consisting of an oxygen electrode acting as an anode or cathode, a hydrogen electrode also acting as a cathode or anode, and a solid electrolyte membrane, characterized in that the catalyst of the oxygen electrode consists of several components, of which at least one essentially carries out the oxygen reduction and another essentially carries out the water oxidation. 2. Kombination aus Elektrolyse- und Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator zur Sauerstoffreduktion Platin enthält und/oder daß der Katalysator zur Wasseroxidation eines der Elemente Iridium, Rhodium, Osmium enthält. 2. Combination of electrolysis and fuel cell according to claim 1, characterized in that the catalyst for oxygen reduction contains platinum and/or that the catalyst for water oxidation contains one of the elements iridium, rhodium, osmium. 3. Kombination aus Elektrolyse- und Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator der Sauerstoffelektrode eine Legierung aus mindestens zwei seiner Komponenten enthält. 3. Combination of electrolysis and fuel cell according to claim 1 or 2, characterized in that the catalyst of the oxygen electrode contains an alloy of at least two of its components. 4. Kombination aus Elektrolyse- und Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Katalysator auf der Sauerstoffseite H+ Ionen leitfähiges Material beigemengt ist. 4. Combination of electrolysis and fuel cell according to claims 1 to 3, characterized in that H+ ion-conductive material is added to the catalyst on the oxygen side. 5. Kombination aus Elektrolyse- und Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator der Sauerstoffseite in einer Schicht möglichst nahe der Membran lokalisiert ist. 5. Combination of electrolysis and fuel cell according to claims 1 to 4, characterized in that the catalyst of the oxygen side is located in a layer as close as possible to the membrane. 6. Kombination aus Elektrolyse- und Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffelektrode auf der der Membran zugewandten Seite hydrophober ist als auf der Membran abgewandten Seite. 6. Combination of electrolysis and fuel cell according to claims 1 to 5, characterized in that the oxygen electrode is more hydrophobic on the side facing the membrane than on the side facing away from the membrane. 7. Kombination aus Elektrolyse- und Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdiffusionsschicht der Sauerstoffelektrode im wesentlichen aus Kohlenstoff besteht. 7. Combination of electrolysis and fuel cell according to claims 1 to 6, characterized in that the gas diffusion layer of the oxygen electrode consists essentially of carbon. 8. Kombination aus Elektrolyse- und Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne, hydrophobisierte Edelmetall-Mohrschicht zum Schutz der Gasdiffusionsschicht gegen anodische Oxidation eingesetzt wird. 8. Combination of electrolysis and fuel cell according to claims 1 to 7, characterized in that a thin, hydrophobized noble metal layer is used to protect the gas diffusion layer against anodic oxidation.
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