Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Filtermedium, insbesondere für den Einsatz in Brennstoffzellen, einen Filter umfassend ein entsprechendes Filtermedium, und ein zugehöriges Brennstoffzellensystem. Offenbart wird zudem die Verwendung entsprechender Filtermedien in Brennstoffzellensystem zur Steigerung der Lebensdauer.

Der Einsatz von Brennstoffzellen im Bereich der Fahrzeugtechnik gilt seit einigen Jahren als vielversprechende Möglichkeit, die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen wie Erdöl zu reduzieren. Die Brennstoffzelle stellt dabei eine der wichtigsten Alternativen zum Einsatz von Batterien, wie beispielsweise Lithium- lonen-Batterien, dar. Gegenüber der Batterietechnologie weist die Brennstoffzellentechnologie dabei spezifische Vorteile auf, insbesondere hinsichtlich der praktischen Handhabung eines Brennstoffes gegenüber der elektrochemischen Speicherung, des Speicherpotentials und der potentiell kurzen Nachfüllzeiten des Brennstoffes, durch die sich lange Ladezeiten vermeiden lassen, sowie der potentiellen Möglichkeit, die bestehende Leitungs- und Speicherinfrastruktur der klassischen Treibstoffversorgung zu verwenden, statt eine Batterieladestruktur aufbauen zu müssen. Diese Vorteile kommen insbesondere beim Einsatz in Bereichen zum Tragen, bei denen langwierige Ladeprozesse vermieden werden müssen, insbesondere im Bereich der LKW und Busse sowie im Bereich der Flugzeuge und allgemein der viel genutzten Fahrzeugflotten. In Brennstoffzellen erfolgt die Umsetzung von Sauerstoff mit einem Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, Methan oder Methanol, zu Wasser und ggf. anderen Reaktionsprodukten unter kontrollierten Reaktionsbedingungen, wobei die Reaktionsschritte der Redoxreaktion räumlich getrennt ablaufen. Die Brennstoffzelle besteht hierzu aus einer Anode und einer Kathode, die durch einen Elektrolyten, beispielsweise eine Elektrolytmembran, voneinander getrennt sind.

Die Reaktanten werden der Brennstoffzelle im Betrieb kontinuierlich zugeführt.

Kathodenseitig wird der als Brennstoff fungierende Sauerstoff zumeist nicht als reines Betriebsgas, sondern in der Form von Luft, d.h. in Form eines Gasgemisches, bereitgestellt. Diese Luft wird zumeist der Umgebung entnommen und kann entsprechend Verunreinigungen, beispielsweise Partikel oder schädliche gasförmige Verbindungen, enthalten. Wenn solche Verunreinigungen aus der Luft in die Brennstoffzelle gelangen, kann die Brennstoffzelle verschmutzen und/oder beschädigt werden, so dass sich die Standzeiten reduzieren und sich die Wartungsintervalle verkürzen, wobei insoweit auch irreversible Verluste an Brennstoffzellenleistung durch Schadgase auftreten können.

Aus diesem Grund kommt der Filterung der Prozessluft eine große Bedeutung zu, um unerwünschte und potentiell schädliche Verunreinigungen herauszufiltern. Daher besteht im Bereich der Filtertechnik ein fortgesetztes Bedürfnis nach verbesserten Filtermedien, die spezifisch auf die im Betrieb von Brennstoffzellen, beispielsweise Polymerelektrolytbrennstoffzellen, auftretenden Belastungen abgestimmt sind und eine leistungsfähige Filterung der Prozessluft ermöglichen, so dass die Standzeiten von Polymerelektrolytbrennstoffzellen verbessert werden können. Viele der aus dem Stand der Technik bekannten Filtermedien weisen ein Leistungsprofil auf, welches sie für den Einsatz in Brennstoffzellen weniger geeignet macht, insbesondere hinsichtlich der Filterleistung bezüglich Schwefeldioxid (SO2), Stickoxiden (NOX), Ammoniak (NH3) und flüchtigen organischen Verbindungen (VOC), der Partikelabscheidung und/oder der Beständigkeit gegenüber den im Betrieb von Brennstoffzellen auftretenden Belastungen, insbesondere der Luftfeuchtigkeit und den typischen Betriebstemperaturen. Die primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik auszuräumen oder zumindest abzuschwächen.

Insbesondere war es die Aufgabe, ein leistungsfähiges Filtermedium anzugeben, welches spezifisch auf die im Betrieb von Brennstoffzellen, insbesondere Polymerelektrolytbrennstoffzellen, auftretenden Belastungen abgestimmt ist und den Betrieb von Brennstoffzellen mit langen Standzeiten ermöglicht.

Insbesondere sollte das Filtermedium eine sehr gute Filterleistung in Bezug auf Schwefeldioxid, Stickoxide, Ammoniak und flüchtigen organischen Verbindungen aufweisen und dabei eine gute Partikelabscheidung gewährleisten.

Zudem sollte die Adsorption von schädlichen gasförmigen Substanzen, insbesondere Schwefeldioxid, Stickoxiden, Ammoniak und flüchtigen organischen Verbindungen, vor allem Ammoniak, an den anzugebenden Filtermedien bereits bei geringen Partialdrücken möglichst hoch sein.

Darüber hinaus sollte das anzugebende Filtermedium eine hohe Beständigkeit gegen die im Betrieb von Brennstoffzellen auftretenden Belastungen, insbesondere den Betriebstemperaturen, aufweisen.

Wünschenswerterweise sollte das anzugebende Filtermedium besonders leicht und effizient herstellbar sein. Zudem sollte das anzugebende Filtermedium idealerweise im Betrieb keine gesundheitsschädlichen Substanzen freisetzen.

Ausgehend hiervon war es eine sekundäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Filter, insbesondere einen Kathodenluftfilter für Brennstoffzellen, eine Verwendung für die anzugebenden Filtermaterialien zur Steigerung der Lebensdauer in Brennstoffzellen und ein entsprechendes Brennstoffzellensystem anzugeben.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nunmehr erkannt, dass sich die vorstehend beschriebenen Aufgaben überraschenderweise lösen lassen, wenn ein aus anderen technischen Bereichen an sich seit mehr als 20 Jahren bekannter Typ an Filtermedien, durch spezifische Materialauswahl und spezifische Wahl des Aufbaus optimiert wird. Dieser Typ an Filtermedien aus dem Stand der Technik setzt auf die Kombination von (in einigen Fällen imprägnierter) Aktivkohle mit Ionenaustauschern. Die entsprechenden Filtermedien, welche zuvor nach dem Wissen der Erfinder nur im Zusammenhang mit Reinsträumen oder Klimaanlagen und nicht im anforderungstechnisch sehr unterschiedlichen Bereich der Antriebstechnik eingesetzt wurden, werden beispielsweise in der WO 01/70391 A1 oder der US 2018/0065070 A1 offenbart, wobei insbesondere lagenartige Aufbauten offenbart werden, in denen eine breite Palette an möglichen Verbindungen eingesetzt werden können. Die überwiegende Zahl dieser Filtermedien weist nach Einschätzung der Erfinder keine ausreichende Leistungsfähigkeit für den Einsatz in Brennstoffzellenanwendungen auf und ist für diese nicht geeignet. Die Erfinder haben nunmehr erkannt, dass erst eine spezifische Auswahl der Komponenten gegenüber der generischen Lehre des Standes der Technik die Konzeption eines leistungsfähigen Filtermediums für den Einsatz in Brennstoffzellen erlaubt.

Ganz besonders überraschend war es für die Erfinder dabei, dass sich besonders vorteilhafte Filtermedien erhalten lassen, wenn von dem lagenartigen Aufbau der Filtermedien, wie er im Stand der Technik offenbart wird, abgewichen wird, wobei sich in synergistischer Weise auch Vorteile bei der Fertigung der Materialien ergeben.

Die vorstehend genannten Aufgaben werden durch den Gegenstand der Erfindung gelöst, wie er in den Ansprüchen definiert ist. Bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Ausführungen.

Solche Ausführungsformen, die nachfolgend als bevorzugt bezeichnet sind, werden in besonders bevorzugten Ausführungsformen mit Merkmalen anderer als bevorzugt bezeichneter Ausführungsformen kombiniert. Ganz besonders bevorzugt sind somit Kombinationen von zwei oder mehr der nachfolgend als besonders bevorzugt bezeichneten Ausführungsformen. Ebenfalls bevorzugt sind Ausführungsformen, in denen ein in irgendeinem Ausmaß als bevorzugt bezeichnetes Merkmal einer Ausführungsform mit einem oder mehreren weiteren Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert wird, die in irgendeinem Ausmaß als bevorzugt bezeichnet werden. Merkmale bevorzugter Filter, Brennstoffzellensysteme und Verwendungen ergeben sich aus den Merkmalen bevorzugter Filtermedien.

Insoweit nachfolgend für ein Element, beispielsweise die lonenaustauschermaterialien oder die Aktivkohlematerialien, sowohl spezifische Mengen bzw. Anteile dieses Elementes als auch bevorzugte Ausgestaltungen des Elementes offenbart werden, sind insbesondere auch die spezifischen Mengen bzw. Anteile der bevorzugt ausgestalteten Elemente offenbart. Zudem ist offenbart, dass bei den entsprechenden spezifischen Gesamtmengen bzw. Gesamtanteilen der Elemente zumindest ein Teil der Elemente bevorzugt ausgestaltet sein kann und insbesondere auch, dass bevorzugt ausgestaltete Elemente innerhalb der spezifischen Gesamtmengen oder Gesamtanteile wiederum in den spezifischen Mengen bzw. Anteilen vorliegen können.

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Filtermedium, insbesondere für den Einsatz in Brennstoffzellen, umfassend: a) ein oder mehrere lonenaustauschermaterialien, b) ein oder mehrere imprägnierte erste Aktivkohlematerialien, und c) ein oder mehrere unimprägnierte zweite Aktivkohlematerialien, wobei das eine oder die mehreren lonenaustauschermaterialien ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus säuregruppenfunktionalisierten (Co-)Polymeren, welche über Monomereinheiten quervernetzt sind, die von aromatischen Monomeren abgeleitet sind, die am aromatischen Ring zwei oder mehrere Alkenylgruppen aufweisen, und wobei das eine oder die mehreren ersten Aktivkohlematerialien durch Imprägnierung mit einem oder mehreren Salzen chemisch modifiziert sind, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Alkalisalzen, Erdalkalisalzen und Nebengruppenmetallsalzen.

Filtermedien im Allgemeinen und Filtermedien für den Einsatz in Brennstoffzellen, insbesondere zur Gasaufbereitung und -filterung im Fluidsystem von Brennstoffzellen, insbesondere Kathodenluftfilter, sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt. Bei den Filtermedien handelt es sich dabei häufig um lagenförmige Aufbauten, deren physikalisch-chemische Eigenschaften regelmäßig maßgeblich durch die eingesetzten Substanzen, die sogenannten Adsorbenzien, und deren relative Anordnung im Filtermedium bestimmt werden und die in vielen Fällen in größeren Einheiten, d.h. dem Filter, eingesetzt werden, beispielsweise auch in Kombination mit anderen Filtermedien oder sonstigen Komponenten.

Die erfindungsgemäßen Filtermedien umfassen zumindest ein lonenaustauschermaterial, welche häufig auch kürzer als lonentauscher bezeichnet werden. Diese Materialien sind dem Fachmann im Bereich der Fluidaufbereitung grundsätzlich bekannt und ermöglichen es, in einem Fluid den Austausch einer Art von Ionen durch eine andere Art gleichartig geladener Ionen zu bewirken. Hierfür bindet das lonenaustauschermaterial die im Fluidstrom enthaltenen Ionen und gibt im Gegenzug Gegenionen mit der gleichen Gesamtladung an das Fluid ab. Der Fachmann unterscheidet insbesondere zwischen sogenannten Kationentauschern und Anionentauschern, wobei diese Bezeichnung angibt, welche Ladung die ausgetauschten Ionen haben, lonenaustauschermaterialien sind in vielen verschiedenen Ausführungen kommerziell erhältlich.

Die Funktionalität der lonenaustauschermaterialen wird dabei durch funktionelle Gruppen gewährleistet, die im lonenaustauschermaterial vorliegen und zumeist an eine Trägermatrix gebunden sind. Im Falle von Kationentauschern handelt es sich hierbei regelmäßig um eine Funktionalisierung der Trägermatrix mit Säuregruppen, wie beispielsweise Sulfonsäuregruppen, Phosphonsäuregruppen, und Carbonsäuregruppen oder deren entsprechender Salze mit kleineren Metallionen wie beispielsweise Natrium, wobei der Austausch der Kationen beispielsweise gegen die Protonen der Säuregruppe oder die anderen Gegenionen erfolgt, da die größeren und teilweise höhergeladenen Kationen eine stärkere Wechselwirkung mit den Anionen der Säuregruppen zeigen und somit in einer Gleichgewichtsreaktion die Protonen verdrängen. Entsprechende lonenaustauschermaterialien mit Säuregruppen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung mit dem fachmännischen Verständnis als säuregruppenfunktionalisierte lonenaustauschermaterialien bezeichnet. Die Reversibilität des Austauschprozesses ermöglicht die Regeneration der lonenaustauschermaterialien, was im Falle von säuregruppenfunktionalisierten lonenaustauschermaterialien beispielsweise in einer sauren Regenerationslösung erfolgen kann.

Als Trägermatrix für die funktionellen Gruppen sind für lonenaustauschermaterialien prinzipiell eine große Bandbreite an Materialien bekannt. In der industriellen Praxis kommt aber vor allem den sogenannten Kunstharzen eine große Bedeutung zu. In Übereinstimmung mit dem fachmännischen Verständnis handelt es sich hierbei um Polymere und/oder Co- Polymere, was im Rahmen der vorliegenden Anmeldung mit dem Ausdruck (Copolymere zusammengefasst wird.

In Übereinstimmung mit dem fachmännischen Verständnis bedeutet eine Quervernetzung von (Co-)Polymeren, dass die Monomereinheiten nicht nur in einer langen Kette vorliegen, wie sie beispielsweise bei der radikalischen Polymerisation von Styrol oder monofunktionellen (Meth)acrylaten entsteht, sondern dass das quervernetzte (Co-)Polymer in der Kette Verzweigungen aufweist, die durch (Co-) Polymerisation von Monomeren mit einer erhöhten Zahl an polymerisierbaren funktionellen Gruppen erzeugt wird. Im Falle von radikalischen Polymerisationen kann die Quervernetzung beispielsweise durch Monomere erfolgen, die über zwei oder mehr Alkenylgruppen verfügen. Diese Alkenylgruppen werden auch Alkenylreste genannt und bezeichnen einen organischen Rest, welcher eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung umfasst, beispielsweise einen Vinylrest. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird bei den quervernetzten (Co-) Polymeren gemäß der üblichen Praxis die Ausgestaltung der Vernetzung über die quervernetzten Monomereinheiten der entsprechenden (Co-)Polymere definiert, wobei diese durch die Struktur der Monomere definiert werden, von denen sie abgeleitet sind, d.h. aus denen sie im Rahmen der quervernetzenden Polymerisation erhalten werden. Dies entspricht dem üblichen Vorgehen bei polymeren Werkstoffen, da es im Wesentlichen unmöglich ist, diese polymeren Materialien strukturell anders sinnvoll zu beschreiben. Die Wahl der Trägermatrix bzw. des (Co-)Polymers ist regelmäßig maßgeblich für die Verarbeitungseigenschaften der lonenaustauschermaterialien, aber auch für deren grundsätzliche physikalisch-chemische Eigenschaften verantwortlich, wobei die Wahl des Materials nicht nur die physikalisch-chemische Beständigkeit, sondern auch die mikroskopische- und/oder makroskopische Struktur der Werkstoffe beeinflusst.

Aktivkohlematerialien sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt. Hierbei handelt es sich um einen zumeist feinkörnigen Kohlenstoff mit einer hohen Porosität und entsprechend einer sehr großen Oberfläche bzw. inneren Oberfläche. Aktivkohlematerialien sind bekannte Adsorbenzien, die in vielen Filtermaterialien eingesetzt werden und die mit etablierten Verfahren, beispielsweise mittels der sogenannten Gasaktivierung oder der chemischen Aktivierung, hergestellt werden können. Auch Aktivkohlematerialien sind in vielen verschiedenen Ausführungen kommerziell erhältlich. Eine spezifische Unterart der Aktivkohlematerialien sind die sogenannten imprägnierten Aktivkohlematerialien, die dem Fachmann im Bereich der Filtertechnik bekannt und als imprägnierte Aktivkohlematerialien ebenfalls kommerziell erhältlich sind. Bei diesen Aktivkohlematerialien wird ein Aktivkohleausgangsmaterial mit ausgewählten Chemikalien behandelt, um die Oberfläche des Aktivkohleausgangsmaterials zumindest teilweise chemisch zu modifizieren, beispielsweise durch die Belegung mit Metallsalzen oder Säuremolekülen. Durch diese als Imprägnierung bezeichnete chemische Modifizierung des Aktivkohleausgangsmaterials verändert sich das Adsorptionsverhalten des Aktivkohleausgangsmaterials, wobei in vielen Fällen die zusätzlich gewonnene Funktionalität der Adsorption mit einer Verringerung der grundsätzlichen Adsorptionskapazität konkurriert, die durch eine Belegung der Poren mit dem Imprägnierungsmittel erfolgen kann.

Da sich die Adsorptionseigenschaften der Aktivkohlematerialien bekanntermaßen unterscheiden, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung mit dem fachmännischen Verständnis zwischen imprägnierten Aktivkohlematerialien und unimprägnierten Aktivkohlematerialien unterschieden. Diese Bezeichnung, die zumindest teilweise auf den Herstellungsprozess der Materialien, d.h. auf die erfolgte oder nicht erfolgte Imprägnierung, abzielt, ist für den Fachmann sinnvoll, da es im Wesentlichen nicht möglich ist, diese bekannten Materialien strukturell anders sinnvoll zu definieren. Dieses Vorgehen entspricht dabei dem, welches auch im Stand der Technik, beispielsweise in der W001/70391 A1 oder der US 2018/0065070 A1 , gewählt wird.

Die Erfinder haben erkannt, dass zur Lösung der vorstehenden Aufgaben nicht nur zumindest ein lonenaustauschermaterial mit zumindest einem unimprägnierten Aktivkohlematerial und zumindest einem imprägnierten Aktivkohlematerial kombiniert werden muss, sondern dass darüber hinaus aus der großen Zahl an möglichen lonenaustauschermaterialien und an möglichen imprägnierten Aktivkohlematerialien, jeweils spezifische Materialien ausgewählt und miteinander kombiniert werden müssen, um die hohen Anforderungen an die Leistungseigenschaften von Filtermedien im Bereich der Brennstoffzellenanwendungen zu erfüllen. Nach Einschätzung der Erfinder ermöglicht es nur die Wahl eines säuregruppenmodifizierten lonenaustauschermaterials, welches zudem über eine spezifisch vernetzte polymerbasierte Trägermatrix verfügt, in Kombination mit einer spezifischen metallsalzbasierten Imprägnierung, wie sie vorstehend definiert sind, solche Filtermedien zu erhalten, die optimal für den Einsatz in Brennstoffzellen, insbesondere als Kathodenluftfilter in Polymerelektrolytbrennstoffzellen, geeignet sind. Ohne an diese Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass es die spezifische Vernetzung ist, die dem (Co-)Polymer nicht nur günstige Verarbeitungseigenschaften verleiht, sondern insbesondere auch die physikalischchemischen Eigenschaften vorteilhaft beeinflusst und den Erhalt einer günstigen mikroskopischen und/oder makroskopischen Struktur ermöglicht, welche in einer ausgezeichneten Beständigkeit und guten Filtereigenschaften resultiert, wobei sich die Wahl der Modifizierung und der Imprägnierung in Kombination mit der chemischen Natur des (Co-)Polymers als besonders leistungsfähig erwiesen hat, die in der spezifischen Brennstoffzellenanwendung auftretenden chemischen Belastungen bestmöglich abzufangen, so dass eine besonders vorteilhafte Haltbarkeit der Brennstoffzellen erreicht werden kann.

Die erfindungsgemäßen Filtermedien sind somit spezifisch auf die im Betrieb von Brennstoffzellen, insbesondere Niedertemperatur- Polymerelektrolytbrennstoffzellen (NT-PEM-FC), auftretenden Belastungen abgestimmt und zeigen insbesondere eine sehr gute Filterleistung in Bezug auf Schwefeldioxid, Stickoxide, Ammoniak und flüchtige organische Verbindungen und dies überraschenderweise bereits bei geringen Partialdrücken dieser Substanzen. Besonders vorteilhaft ist dabei gegenüber komplexeren Filtermedien, dass sich diese erfindungsgemäßen Filtermedien besonders leicht und kosteneffizient herstellen lassen, wobei die erfindungsgemäßen Filtermedien zudem besonders gut zu recyceln sind, insbesondere da sich die lonenaustauschermaterialien zumeist effizient von den Aktivkohlematerialien trennen und anschließend regenerieren lassen.

Ausgehend von der vorstehenden Lehre ist es den Erfindern gelungen, besonders vorteilhafte lonenaustauschermaterialien zu identifizieren, mit denen sich besonders leistungsfähige Filtermedien erhalten lassen. Nach Einschätzung der Erfinder können insbesondere durch die Wahl der Säuregruppenfunktionalisierung die Leistungseigenschaften weiter gesteigert werden. Hierbei hat sich insbesondere eine Funktionalisierung mit starken Säuren als günstig erwiesen. Bevorzugt ist insoweit ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei das eine oder die mehreren lonenaustauschermaterialien mit Säuregruppen funktionalisiert sind, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehen aus Carbonsäuregruppen, Phosphonsäuregruppen und Sulfonsäuregruppen, bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehen aus Phosphonsäuregruppen und Sulfonsäuregruppen, besonders bevorzugt Sulfonsäuregruppen.

Der Fachmann versteht insoweit, dass diese Säuregruppen, um effizient einen Kationenaustausch bedingen zu können, regelmäßig in ihrer protonierten Form eingesetzt werden, d.h. bspw. als -COOH, -SO3H oder -PO3H2, was für alle Anwendungen explizit bevorzugt ist. Gleichzeitig versteht der Fachmann jedoch auch, dass potentiell auch kleine Metallionen als Gegenionen fungieren könnten, so dass die Säuregruppenfunktionalisierung grundsätzlich auch die weniger bevorzugte Funktionalisierung mit Metallsalzen, insbesondere Alkalimetallsalzen, der Säuregruppen umfasst beispielsweise -COONa, -SOsNa oder -POsNa2. Bevorzugt ist deshalb ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei das eine oder die mehreren lonenaustauschermaterialien protoniert vorliegen. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Experimente der Erfinder vermuten lassen, dass der grundsätzliche Aufbau der erfindungsgemäßen Filtermedien auch für andere Anwendungen abseits der Brennstoffzellenanwendung vielversprechend sein könnte, in denen statt einer Säuregruppenfunktionalisierung im lonenaustauschermaterial basische funktionelle Gruppen eingesetzt werden, um eine gewünschte Adsorptionscharakteristik zu erzielen. Alternativ vorteilhaft wäre für bestimmte Anwendungen deshalb ein Filtermedium, wobei das eine oder die mehreren lonenaustauschermaterialien alternativ mit basischen Gruppen funktionalisiert sind, die bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Aminogruppen und Ammoniumgruppen, besonders bevorzugt Ammoniumgruppen, wobei insbesondere OH'-Ionen als Gegenionen fungieren.

Hinsichtlich der Trägermatrix der lonenaustauschermaterialien haben sich im Rahmen der Entwicklungsarbeit insbesondere Styrol-basierte (Co-) Polymere als vorteilhaft erwiesen, wobei es mit Blick auf die Quervernetzung günstig erscheint, wenn die zur Quervernetzung dienenden Kohlenstoff-Kohlenstoff- Doppelbindungen möglichst nah am planaren aromatischen Ring liegen, so dass Vinyl-Gruppen besonders bevorzugt sind, wie sie beispielsweise im Divinylbenzol vorliegen. Ohne an diese Theorie gebunden sein zu wollen, wird vermutet, dass dies im Vergleich mit längeren Alkenylgruppen eine größere Rigidität der Quervernetzung bedingt, die sich günstig auswirkt. Bevorzugt ist vor diesem Hintergrund ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei das eine oder die mehreren lonenaustauschermaterialien ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus (Co-)Polymeren, bevorzugt umfassend von Styrol abgeleitete Monomereinheiten, bevorzugt von funktionalisiertem Styrol abgeleitete Monomereinheiten, welche über Monomereinheiten quervernetzt sind, die von aromatischen Monomeren abgeleitet sind, die am aromatischen Ring zwei oder mehr, bevorzugt zwei, Vinylgruppen aufweisen, wobei die (Co-)Polymere bevorzugt über Monomereinheiten quervernetzt sind, die von Divinylbenzol abgeleitet sind. In Übereinstimmung mit der üblichen Praxis bei der Beschreibung von Polymeren, kann das (Co-)Polymer zusätzlich oder alternativ auch insgesamt über seine Herstellbarkeit beschrieben werden, wobei die Säuregruppen optional nach der (Co-)Polymerisation eingeführt werden können. Beschrieben ist entsprechend zusätzlich oder alternativ ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei die (Copolymere hergestellt oder herstellbar sind durch (Co-) Polymerisation einer Monomerzusammensetzung umfassend ein oder mehrere Monomere, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus ethylenisch ungesättigten Monomeren, bevorzugt mit Säuregruppen funktionalisierten ethylenisch ungesättigten Monomeren, besonders bevorzugt mit Säuregruppen funktionalisierten Styrol-Monomeren. Analog wird zusätzlich oder alternativ ein erfindungsgemäßes Filtermedium beschrieben, wobei das quervernetzte (Copolymer als Ganzes herstellbar ist durch (Co-)Polymerisation einer Monomerzusammensetzung umfassend ein oder mehrere Monomere die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus mit Säuregruppen funktionalisierten ethylenisch ungesättigten Monomeren, und ein oder mehrere Monomere die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus aromatischen Monomeren, die am aromatischen Ring zwei oder mehrere Alkenylgruppen aufweisen, bevorzugt Divinylbenzol, oder herstellbar sind durch Quervernetzung eines (Co-)Polymers durch (Co-)Polymerisation des (Co-)Polymers mit einem oder mehreren Monomeren die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus aromatischen Monomeren, die am aromatischen Ring zwei oder mehrere Alkenylgruppen aufweisen, bevorzugt Divinylbenzol.

Die Erfinder konnten insoweit ein besonders leistungsfähiges lonenaustauschermaterial identifizieren, welches insbesondere auch beim Einsatz in Mischlagen, wie sie nachfolgend beschrieben sind, besonders vorteilhafte Leistungseigenschaften zeigt und dessen Einsatz nach Einschätzung der Erfinder für sämtliche Ausführungsformen besonders bevorzugt ist. Bevorzugt ist nämlich ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei das Filtermedium als lonenaustauschermaterial vernetzte Poly(styrol-co-divinylbenzol)sulfonsäure, d.h. ein sulfoniertes Styrol-Divinylbenzol-Copolymer, welches entsprechend Sulfonsäuregruppen aufweist, umfasst. Für die Anwendung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das lonenaustauschermaterial selbst porös ausgebildet ist, was nach Einschätzung der Erfinder durch die Art der spezifischen Quervernetzung begünstigt wird. Bevorzugt ist somit ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei das eine oder die mehreren lonenaustauschermaterialien makroporöse lonenaustauschermaterialien sind, wobei bevorzugt mehr als 50 % der Poren einen Durchmesser von mehr als 50 nm aufweisen.

In eigenen Experimenten hat sich gezeigt, dass insbesondere partikuläre lonenaustauschermaterialien, vor allem solche mit im Wesentlichen sphärischen Partikeln, bevorzugt sind, insbesondere im Vergleich mit faserartigen lonenaustauschermaterialien und gel-artigen lonenaustauschermaterialien. Bevorzugt ist daher ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei das eine oder die mehreren lonenaustauschermaterialien bei 23 °C und 100 kPa ein Feststoff sind, und/oder wobei das eine oder die mehreren lonenaustauschermaterialien zu mehr als 50 %, bevorzugt zu mehr als 70 %, besonders bevorzugt zu mehr als 90 %, aus sphärischen Partikeln bestehen, und/oder wobei das eine oder die mehreren lonenaustauschermaterialien keine Fasern umfassen.

Ebenfalls als vorteilhaft, insbesondere mit Blick auf eine hohe NH ₃ -Adsorption bereits bei niedrigen Partialdrücken, hat es sich erwiesen, lonenaustauschermaterialien einzusetzen, welche zuvor nicht separat getrocknet wurden. Bevorzugt ist demnach ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei das eine oder die mehreren lonenaustauschermaterialien nach 24 h der Lagerung bei 60 °C einen M assen verlust von 1 % oder mehr, bevorzugt von 5 % oder mehr, besonders bevorzugt von 10 % oder mehr, ganz besonders bevorzugt von 15 % oder mehr, aufweisen. Bevorzugt ist auch ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei das eine oder die mehreren lonenaustauschermaterialien hydrophile lonenaustauschermaterialien sind. Bevorzugt ist in diesem Zusammenhang zusätzlich oder alternativ ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei das eine oder die mehreren lonenaustauschermaterialien vor der Herstellung des Filtermediums und/oder vor dem Einsatz des Filtermediums, eine Restfeuchte im Bereich von 10 bis 50 %, bevorzugt im Bereich von 15 bis 30 %, besonders bevorzugt im Bereich von 20 bis 25 %, alternativ besonders bevorzugt im Bereich von 40 bis 50°%, liegt, bezogen auf die den Feuchtegrad nach 24 h Lagerung in einer wässrigen Lösung.

Nach Erkenntnis der Erfinder werden vor dem Hintergrund des Belastungsprofils, welches der Einsatz eines Filtermediums als Kathodenluftfilter einer Brennstoffzelle an dieses Filtermedium stellt, besonders starke Steigerungen der Lebensdauer von Brennstoffzellen erreicht, wenn bei der Materialauswahl insbesondere auf ein großes Potential zur NHs-Adsorption geachtet wird. Bevorzugt ist vor diesem Hintergrund ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei das eine oder die mehreren lonenaustauschermaterialien säuregruppenfunktionalisierten lonenaustauschermaterialien sind, die bei einem Druck von 10 kPa und einer Temperatur von 23 °C eine statisch volumetrische Aufnahme von NH3 VNHS von mehr als 50 cm ³ /g, besonders bevorzugt von mehr als 100 cm ³ /g, aufweisen. Insoweit können entsprechende lonenaustauschermaterialien auch in Kombination mit weiteren lonenaustauschermaterialien in der Form von Mischbettharzen eingesetzt werden, beispielsweise zusammen mit einem mit basischen Gruppen funktionalisierten lonenaustauschermaterial.

Auch bei der Wahl der Aktivkohlematerialien ist es den Erfindern gelungen, besonders leistungsfähige Substanzen zu identifizieren. Grundsätzlich bevorzugt ist insoweit ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei das eine oder die mehreren ersten Aktivkohlematerialien und/oder das eine oder die mehreren zweiten Aktivkohlematerialien, bevorzugt beide Aktivkohlematerialien, mesoporöse und/oder mikroporöse Aktivkohlematerialien sind, wobei bevorzugt mehr als 50 % der Poren einen Durchmesser von weniger als 50 nm, besonders bevorzugt weniger als 20 nm, ganz besonders bevorzugt weniger als 2 nm, aufweisen.

Bei der Imprägnierung werden vor allem mit Alkalisalzen gute Ergebnisse erzielt, so dass deren Einsatz nach Einschätzung der Erfinder trotz der prinzipiellen Eignung von Erdalkalisalzen und Nebengruppenmetallsalzen für alle Ausführungsformen bevorzugt ist, insbesondere beim Einsatz in Mischlagen, wie er nachfolgend beschrieben wird. Unter den Alkalisalzen ragen dabei Kaliumcarbonat, d.h. K2CO3, und Kaliumiodid heraus, die insbesondere auch in Kombination miteinander eine leistungsfähige Imprägnierung für die einzusetzenden Aktivkohlematerialien darstellen, die sich für den Einsatz in Brennstoffzellen als besonders vorteilhaft erwiesen hat. Bevorzugt ist folglich ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei das eine oder die mehreren ersten Aktivkohlematerialien durch Imprägnierung mit einem oder mehreren Salzen chemisch modifiziert sind, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Alkalisalzen, bevorzugt Alkalicarbonaten und Alkalihalogeniden, besonders bevorzugt Kaliumcarbonaten und Kaliumhalogeniden, ganz besonders bevorzugt Dikaliumcarbonat und Kaliumiodid, wobei das eine oder die mehreren ersten Aktivkohlematerialien überaus bevorzugt durch Imprägnierung mit Dikaliumcarbonat und Kaliumiodid chemisch modifiziert sind, wobei der Anteil von Kaliumiodid insbesondere bevorzugt kleiner ist als der Anteil von Dikaliumcarbonat.

In einer alternativen Beschreibung dieser bevorzugten Imprägnierung ließe sich dies zusätzlich oder alternativ ausdrücken als erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei das eine oder die mehreren ersten Aktivkohlematerialien Einlagerungen von einer oder mehreren Salzen umfassen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Alkalisalzen, bevorzugt Alkalicarbonaten und Alkalihalogeniden, besonders bevorzugt Kaliumcarbonaten und Kaliumhalogeniden, ganz besonders bevorzugt Dikaliumcarbonat und Kaliumiodid, wobei das eine oder die mehreren ersten Aktivkohlematerialien überaus bevorzugt Dikaliumcarbonat und Kaliumiodid umfassen, wobei der Anteil von Kaliumiodid insbesondere bevorzugt kleiner ist als der Anteil von Dikaliumcarbonat.

Für die unimprägnierten Aktivkohlematerialien im erfindungsgemäßen Filtermedium bedeutet dies in Übereinstimmung mit dem fachmännischen Verständnis, dass das eine oder die mehreren zweiten Aktivkohlematerialien eben nicht durch Imprägnierung mit einem oder mehreren Salzen chemisch modifiziert sind, insbesondere nicht mit Salzen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Alkalisalzen, Erdalkalisalzen und Nebengruppenmetallsalzen, und/oder dass das eine oder die mehreren zweiten Aktivkohlematerialien keine Einlagerungen von einem oder mehreren Salzen umfassen, insbesondere nicht von Salzen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Alkalisalzen, Erdalkalisalzen und Nebengruppenmetallsalzen.

Die Erfinder schlagen für die drei einzusetzenden Komponenten jeweils Massenanteile vor, die sich insbesondere in Kombination für zwei oder drei der Komponenten als vorteilhaft erwiesen haben, vor allem, wenn bevorzugte Bereichsangaben miteinander kombiniert werden. Bevorzugt ist nämlich ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei der kombinierte Massenanteil an lonenaustauschermaterialien im Bereich von 5 bis 50 %, bevorzugt im Bereich von 10 bis 35 %, besonders bevorzugt im Bereich von 15 bis 30 %, liegt, bezogen auf die Masse des Filtermediums, und/oder wobei der kombinierte Massenanteil an ersten Aktivkohlematerialien im Bereich von 20 bis 90 %, bevorzugt im Bereich von 35 bis 75 %, besonders bevorzugt im Bereich von 40 bis 60 %, liegt, bezogen auf die Masse des Filtermediums, und/oder wobei der kombinierte Massenanteil an zweiten Aktivkohlematerialien im Bereich von 5 bis 60 %, bevorzugt im Bereich von 10 bis 50 %, besonders bevorzugt im Bereich von 20 bis 40 %, liegt, bezogen auf die Masse des Filtermediums.

Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei der kombinierte Massenanteil an lonenaustauschermaterialien im Bereich von 5 bis 50 %, bevorzugt im Bereich von 10 bis 35 %, besonders bevorzugt im Bereich von 15 bis 30 %, liegt, bezogen auf die kombinierte Masse der Adsorbenzien, und/oder wobei der kombinierte Massenanteil an ersten Aktivkohlematerialien im Bereich von 20 bis 90 %, bevorzugt im Bereich von 35 bis 75 %, besonders bevorzugt im Bereich von 40 bis 60 %, liegt, bezogen auf die kombinierte Masse der Adsorbenzien, und/oder wobei der kombinierte Massenanteil an zweiten Aktivkohlematerialien im Bereich von 5 bis 60 %, bevorzugt im Bereich von 10 bis 50 %, besonders bevorzugt im Bereich von 20 bis 40 %, liegt, bezogen auf die kombinierte Masse der Adsorbenzien. Die kombinierte Masse der Adsorbenzien umfasst dabei die Massen der lonenaustauschermaterialien, ersten Aktivkohlematerialien und zweiten Aktivkohlematerialien sowie etwaiger anderer im Filtermedium vorhandener Substanzen, deren vornehmliche Funktion das Adsorbieren ist, was der Fachmann in der Praxis zwanglos feststellen kann. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei das Verhältnis der kombinierten Masse an lonenaustauschermaterialien zur kombinierten Masse an ersten Aktivkohlematerialien im Bereich von 5:1 bis 1 :5, bevorzugt im Bereich von 1 :1 bis 1 :4, liegt, und/oder wobei das Verhältnis der kombinierten Masse an lonenaustauschermaterialien zur kombinierten Masse an zweiten Aktivkohlematerialien im Bereich von 5:1 bis 1 :5, bevorzugt im Bereich von 2:1 bis 1 :2, liegt. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ auch ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei das Verhältnis des kombinierten Volumens der lonenaustauschermaterialien zum kombinierten Volumen der ersten Aktivkohlematerialien im Bereich von 5:1 bis 1 :5, bevorzugt im Bereich von 3:1 bis 1 :3, liegt, und/oder wobei das Verhältnis des kombinierten Volumens der lonenaustauschermaterialien zum kombinierten Volumen der zweiten Aktivkohlematerialien im Bereich von 5:1 bis 1 :5, bevorzugt im Bereich von 3:1 bis 1 :3, liegt.

Aus dem Stand der Technik, wie er beispielsweise in der WO 0170391 A1 offenbart ist, war für Filtermedien aus Aktivkohle und lonenaustauschermaterial nach Wissen der Erfinder stets ein mehrlagiger Aufbau vorgeschlagen, d.h. die räumliche Trennung der verschiedenen Komponenten. Die Erfinder haben nunmehr erkannt, dass sich die Komponenten vorteilhafterweise jedoch auch zumindest teilweise in gemeinsamen Lagen, d.h. als Mischung, einsetzen lassen. Überraschenderweise wird die Leistungsfähigkeit für die Anwendung in der Brennstoffzelle hierdurch nicht oder zumindest nicht übermäßig negativ beeinflusst, wohingegen ein großer Vorteil in der Verarbeitbarkeit erreicht wird, da eine aufwendige Separierung der Komponenten vermieden werden kann. Zudem ermöglichen es auftretende Schütteffekte zwischen den Materialien mit unterschiedlichen Partikelgrößen potentiell mehr Masse an Adsorbenzien im gleichen Volumen unterzubringen und dadurch eine dichtere Packung zu erreichen, was in synergistischer Weise auch den Durchtritt von Fremdpartikeln erschwert. Vorteilhafterweise reduziert sich durch die Mischung von Komponenten auch die Richtungsabhängigkeit der Adsorptionseigenschaften, welche sonst aus der Lagenanordnung unterschiedlicher Adsorbenzien resultiert. Während ein unstetes, vorgegebenes Adsorptionsprofil entlang der Richtung des Luftflusses für manche der aus dem Stand der T echnik bekannten Anwendungen gewünscht sein mag, hat es sich für den Einsatz in Brennstoffzellenanwendungen als günstig erwiesen, Mischlagen vorzusehen, die eine Kombination an Adsorptionseigenschaften zeigen.

Vor diesem Hintergrund wird insbesondere die Einbettung des lonenaustauschermaterials in zumindest eine Lage aus Aktivkohlematerial als vorteilhaft angesehen. Bevorzugt ist entsprechend ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei das Filtermedium eine AB-Mischlage umfasst, welche das eine oder die mehreren lonenaustauschermaterialien und das eine oder die mehreren ersten Aktivkohlematerialien umfasst, bevorzugt in einem Massenverhältnis im Bereich von 5:1 bis 1 :5, besonders bevorzugt im Bereich von 3:1 bis 1 :3, wobei die AB-Mischlage bevorzugt zu 70 % oder mehr, besonders bevorzugt zu 90 % oder mehr, ganz besonders bevorzugt zu 98 % oder mehr, überaus bevorzugt im Wesentlichen vollständig, aus diesen Materialien besteht, und/oder wobei das Filtermedium zumindest eine AC-Mischlage umfasst, welche das eine oder die mehreren lonenaustauschermaterialien und das eine oder die mehreren zweiten Aktivkohlematerialien umfasst, bevorzugt in einem Massenverhältnis im Bereich von 5:1 bis 1 :5, besonders bevorzugt im Bereich von 3:1 bis 1 :3, wobei die AC-Mischlage bevorzugt zu 70 % oder mehr, besonders bevorzugt zu 90 % oder mehr, ganz besonders bevorzugt zu 98 % oder mehr, überaus bevorzugt im Wesentlichen vollständig, aus diesen Materialien besteht.

Ganz besonders bevorzugt ist nach Einschätzung der Erfinder jedoch das Mischen der Aktivkohlematerialien und entsprechend das Vorsehen zumindest einer Mischlage, welche das erste und das zweite Aktivkohlematerial umfasst. Insbesondere bevorzugt ist folglich ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei das Filtermedium zumindest eine BC-Mischlage umfasst, welche das eine oder die mehreren ersten Aktivkohlematerialien und das eine oder die mehreren zweiten Aktivkohlematerialien umfasst, bevorzugt in einem Massenverhältnis im Bereich von 5:1 bis 1 :5, besonders bevorzugt im Bereich von 3:1 bis 1 :3, wobei die BC- Mischlage bevorzugt zu 70 % oder mehr, besonders bevorzugt zu 90 % oder mehr, ganz besonders bevorzugt zu 98 % oder mehr, aus diesen Materialien besteht. Aus der Kombination der vorstehenden Ausführungsformen folgt, dass auch der Einsatz von Mischlagen sämtlicher Komponenten vorteilhaft ist, insbesondere hinsichtlich der Fertigungseigenschaften, der Isotropie der Adsorptionseigenschaften und der erzielbaren Packungsdichte an Adsorbenzien. Bevorzugt ist somit ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei das Filtermedium zumindest eine ABC-Mischlage umfasst, welche das eine oder die mehreren lonenaustauschermaterialien und das eine oder die mehreren ersten Aktivkohlematerialien und das eine oder die mehreren zweiten Aktivkohlematerialien umfasst, wobei die ABC-Mischlage bevorzugt zu 70 % oder mehr, besonders bevorzugt zu 90 % oder mehr, ganz besonders bevorzugt zu 98 % oder mehr, insbesondere bevorzugt im Wesentlichen vollständig, aus diesen Materialien besteht.

Dass der Einsatz von Mischlagen vorteilhaft ist, bedeutet jedoch nicht, dass es nicht auch sinnvoll sein kann, zusätzlich oder alternativ auch vergleichsweise reine Lagen aus den Komponenten einzusetzen, wodurch lokal eine sehr präzise Einstellung der Adsorptionseigenschaften im erfindungsgemäßen Filtermedium möglich wird. Bevorzugt ist demnach gleichfalls ein erfindungsgemäßes Filtermedium, umfassend eine lonenaustauscherlage, wobei die lonenaustauscherlage zu 80 % oder mehr, bevorzugt zu 90 % oder mehr, besonders bevorzugt zu 98 % oder mehr, ganz besonders bevorzugt im Wesentlichen vollständig, aus dem einen oder den mehreren lonenaustauschermaterialien besteht, und/oder umfassend eine erste Aktivkohlelage, wobei die erste Aktivkohlelage zu 80 % oder mehr, bevorzugt zu 90 % oder mehr, besonders bevorzugt zu 98 % oder mehr, ganz besonders bevorzugt im Wesentlichen vollständig, aus dem einen oder den mehreren ersten Aktivkohlematerialien besteht, und/oder umfassend eine zweite Aktivkohlelage, wobei die zweite Aktivkohlelage zu 80 % oder mehr, bevorzugt zu 90 % oder mehr, besonders bevorzugt zu 98 % oder mehr, ganz besonders bevorzugt im Wesentlichen vollständig, aus dem einen oder den mehreren zweiten Aktivkohlematerialien besteht. Insoweit ist es bevorzugt, sämtliche dieser Lagen möglichst weitgehend aus den jeweiligen Materialien auszubilden. Beim Einsatz von mehreren lonenaustauschermaterialien, insbesondere auch von weiteren lonenaustauschermaterialien, welche beispielsweise mit basischen Gruppen funktionalisiert sind, können diese als Alternative zu Mischlagen ebenfalls in weitgehend separaten Lagen ausgebildet werden.

Vor diesem Hintergrund ist bedingt durch die spezifische Materialauswahl auch ein grundsätzlicher Aufbau der erfindungsgemäßen Filtermedien denkbar, der, ähnlich wie der Stand der Technik, auf den, gegebenenfalls ausschließlichen, Einsatz von im Wesentlichen separierten Lagen zurückgreift, was insbesondere für Anwendungen denkbar ist, in denen eine ausgeprägte Anisotropie der Adsorptionseigenschaften gewünscht ist. Bevorzugt ist für diese Fälle somit ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei das Filtermedium zumindest eine lonenaustauscherlage, zumindest eine erste Aktivkohlelage und zumindest eine zweite Aktivkohlelage umfasst, bevorzugt jeweils genau eine, wobei das Filtermedium insbesondere aus diesen Lagen besteht.

Nach Einschätzung der Erfinder lassen sich die als besonders vorteilhaft identifizierten Mischlagen in vorteilhafter Weise mit anderen Lagen kombinieren, sowohl mit den reineren Lagen als auch mit anderen Mischlagen, wobei letzteres besonders vorteilhaft ist. Bevorzugt ist somit ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei das Filtermedium eine, zwei oder mehrere Lagen umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus lonenaustauscherlagen, ersten Aktivkohlelagen und zweiten Aktivkohlelagen, wobei das Filtermedium eine, zwei oder mehrere Lagen umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus AB-Mischlagen, AC-Mischlagen, BC-Mischlagen und ABC-Mischlagen. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ auch ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei das Filtermedium zwei oder mehrere Lagen umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus AB-Mischlagen, AC-Mischlagen, BC-Mischlagen und ABC- Mischlagen.

Eine mit Blick auf die erreichbare Isotropie der Adsorptionseigenschaften besonders vielversprechende Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filtermediums wird erhalten, wenn die einzusetzenden Komponenten jeweils weitgehend in der Form von Mischlagen eingesetzt werden, d.h. wenn es keine oder nur wenige Lagen gibt, die weitgehend oder vollständig aus den jeweiligen Komponenten bestehen. Bevorzugt ist entsprechend ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei die im Filtermedium enthaltenen Mischlagen zusammen 80 % oder mehr, bevorzugt 90 % oder mehr, besonders bevorzugt 98 % oder mehr, ganz besonders bevorzugt im Wesentlichen 100 %, der lonenaustauschermaterialien, der ersten Aktivkohlematerialien und der zweiten Aktivkohlematerialien umfassen, bezogen auf die Masse der Materialien im Filtermedium.

Nach Einschätzung der Erfinder kommt insbesondere beim Einsatz von relativ reinen Lagen aus den Komponenten, der Reihenfolge der Stapelung der Lagen im Lagenaufbau des Filtermediums eine wichtige Bedeutung zu. Denkbar wäre beim Verzicht auf den Einsatz von Mischlagen beispielsweise ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei eine lonenaustauscherlage im Filtermedium zwischen einer ersten Aktivkohlelage und einer zweiten Aktivkohlelage angeordnet ist. Nach Einschätzung der Erfinder besteht beim Einsatz von Lagen, die überwiegend oder vollständig aus einer Komponente bestehen, jedoch eine besonders günstige Anordnung darin, die Aktivkohlelagen nebeneinander anzuordnen, um einen anisotropen Aufbau zu erhalten, in dem die zu reinigende Luft gezielt erst durch beide Aktivkohlelagen oder erst durch die lonenaustauscherlage geführt werden kann, je nach Orientierung des Filtermediums im Filter. Bevorzugt ist deshalb insbesondere beim Verzicht auf Mischlagen ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei eine erste Aktivkohlelage im Filtermedium zwischen einer lonenaustauscherlage und einer zweiten Aktivkohlelage angeordnet ist, oder wobei eine zweite Aktivkohlelage im Filtermedium zwischen einer ersten Aktivkohlelagen und einer lonenaustauscherlagen angeordnet ist.

Es kann als Vorteil der erfindungsgemäßen Filtermedien gesehen werden, dass die durch die Materialauswahl bedingten Vorteile auch dann beobachtet werden, wenn die eine oder die mehreren Lagen des Filtermediums durch Trägerschichten voneinander getrennt werden, so dass die Stabilität des Filtermediums und die Handhabungseigenschaften gezielt an die jeweiligen Anforderungen des Anwendungszwecks angepasst werden können. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Ausdruck Trägerschichten dabei in Übereinstimmung mit dem fachmännischen Verständnis sämtliche Schichten, die keinen nennenswerten Beitrag zu den Adsorptionseigenschaften leisten, sondern vielmehr der Steigerung der Stabilität und/oder der Verbesserung der Handhabungseigenschaften dienen und/oder zum Zwecke der Verarbeitung aufgebracht werden. Beispiele für Materialien für mögliche Trägerschichten sind insbesondere sämtliche Arten von polymeren Stützstrukturen und textile Filtermedien, beispielsweise Gewebe, Gestricke, Gewirke, und Vliese, sowie Fasern und Bikomponentenfasern wie beispielsweise „Spunbond“- oder „Meltblown“-Materialien. Weitere Beispiele für Materialien für mögliche Trägerschichten sind außerdem adhäsive Materialien wie Sprühkleber, Hotmelts, reaktive Kleber, sowie Cellulose-basierte Materialien und davon abgeleitete Analoga, aber auch metallische Strukturen, beispielsweise Siebe, Gitter und ähnliche Strukturen sowie Kompositmaterialien aus den vorstehend genannten Materialien.

Insoweit umfasst der Ausdruck T rägerschicht neben beispielsweise faserbasierten Materialien, insbesondere Vliesmaterialien, auch passivierende Beschichtungen, Schichten aus Sprühklebstoff oder ähnliche Schichten.

Die Trägerschichten können dabei im Falle der Ausbildung aus inhärent gasundurchlässigen Materialien beispielsweise perforiert werden oder durch ihre Struktur und/oder physikalisch-chemischen Materialeigenschaften inhärent gasdurchlässig, insbesondere luftdurchlässig, ausgebildet sein, wobei letzteres bevorzugt ist. Bevorzugt ist also ein erfindungsgemäßes Filtermedium, zusätzlich umfassend eine oder mehrere Trägerschichten, bevorzugt gasdurchlässige Trägerschichten.

Diese Trägerschichten können dabei sowohl an den Oberflächen des Filtermediums, insbesondere an der Ober- und/oder Unterseite eines lagenförmigen Filtermediums, als auch zwischen benachbarten Lagen eingesetzt werden, wobei die Anordnung an der Oberfläche des Filtermediums insbesondere für den Einsatz in Stapel- und Wickelfiltern relevant ist. Bevorzugt ist vor diesem Hintergrund ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei die Oberseite und/oder die Unterseite, bevorzugt die Oberseite und die Unterseite, des Filtermediums, durch eine Trägerschicht gebildet werden, und/oder wobei zwischen zwei benachbarten Lagen, welche lonenaustauschermaterial und/oder erstes Aktivkohlematerial und/oder zweites Aktivkohlematerial umfassen, eine Trägerschicht angeordnet ist, wobei bevorzugt zwischen allen benachbarten Lagen, welche lonenaustauschermaterial und/oder erstes Aktivkohlematerial und/oder zweites Aktivkohlematerial umfassen, eine Trägerschicht angeordnet ist.

Als spezifische Form der Trägerschichten werden im Rahmen der Erfindung sogenannte Filterschichten angesehen. Auch wenn diese Schichten, die häufig so auf der Oberfläche des Filtermediums angebracht werden, dass sie im Filter auf der dem Lufteinlass zugewandten Seite liegen, auch einen Beitrag zur Gesamtstabilität des Filtermediums leisten können, stehen in diesem Fall die partikelabscheidenden Eigenschaften, d.h. die Filtereigenschaften, im Vordergrund. Die Ergänzung des erfindungsgemäßen Filtermediums um zumindest eine Filterschicht erlaubt das Abfangen von größeren Fremdpartikeln, potentiell vor dem Kontakt mit den Aktivkohlematerialien und/oder dem lonenaustauschermaterial, was sich nicht nur mit Blick auf die erreichbare Lebensdauer einer nachgeschalteten Brennstoffzelle als vorteilhaft erwiesen hat, sondern auch hinsichtlich der Beständigkeit des Filtermediums Vorteile zeigt, da eine Kontamination der anderen Komponenten verhindert wird. Zudem erlauben entsprechende Filterschichten bei einer geeigneten Materialauswahl eine einfache Reinigung im Falle eines mit Fremdpartikeln zugesetzten Filtermediums. Bevorzugt ist folglich ein erfindungsgemäßes Filtermedium, zusätzlich umfassend eine gasdurchlässige Filterschicht, wobei die Filterschicht dazu eingerichtet ist, den Durchtritt von Partikeln mit einer Partikelgröße von 30 pm oder mehr, bevorzugt 10 pm oder mehr, besonders bevorzugt 2,5 pm oder mehr, ganz besonders bevorzugt 1 pm oder mehr, durch die Filterschicht zu 99,5 % oder mehr, bevorzugt zu 99 % oder mehr, zu verhindern und kleinere Partikel zumindest teilweise, bevorzugt zu mehr als 50 %, durchzulassen. Besonders bevorzugt ist insoweit ein erfindungsgemäßes Filtermedium, wobei die Filterschicht an der Oberfläche des Filtermediums oder zwischen zwei benachbarten Lagen, bevorzugt an der Oberfläche, angeordnet ist, wobei die Filterschicht bevorzugt eine Lage kontaktiert, die erstes Aktivkohlematerial und/oder zweites Aktivkohlematerial umfasst.

Der Fachmann versteht, dass die Erfindung auch einen Filter betrifft, insbesondere für den Einsatz in Brennstoffzellen, insbesondere für Niedertemperatur- Polymerelektrolytbrennstoffzellen (NT-PEM-FC), mit einem Lufteinlass und einem Luftauslass, wobei zwischen dem Lufteinlass und dem Luftauslass ein erfindungsgemäßes Filtermedium angeordnet ist, da dieser durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Filtermediums die vorstehend offenbarten Vorteile realisiert. Bevorzugt ist dabei ein erfindungsgemäßer Filter, wobei der Filter ein Kathodenluftfilter ist.

Der Fachmann kennt insoweit geeignete konstruktive Aufbauten für Filter und entsprechende Filtergehäuse, in denen erfindungsgemäße Filtermedien eingesetzt werden können. Durch eine Anpassung der geometrischen Abmessungen der erfindungsgemäßen Filtermedien an bestehende Filteraufbauten können die erfindungsgemäßen Filtermedien vorteilhafterweise auch als Ersatzfiltermedien oder als Aufrüstung für bestehende Filter eingesetzt werden, um ausgehend von bestehenden Filterkonstruktionen eine besondere Eignung für den Einsatz in Brennstoffzellen zu erreichen.

Nach Einschätzung der Erfinder ist es dabei möglich, das Filtermedium im Filter hinsichtlich der Durchströmungsrichtung grundsätzlich frei auszurichten, beispielsweise so, dass im Filtermedium zumindest eine Lage, die erstes Aktivkohlematerial und/oder zweites Aktivkohlematerial, bevorzugt erstes Aktivkohlematerial, umfasst, näher in Richtung des Lufteinlasses liegt als eine Lage, die lonenaustauschermaterial umfasst, und/oder so dass im Filtermedium zumindest eine Lage, die erstes Aktivkohlematerial und/oder zweites Aktivkohlematerial, bevorzugt zweites Aktivkohlematerial umfasst, näher in Richtung des Luftauslasses liegt als eine Lage, die lonenaustauschermaterial umfasst. Eine besonders günstige Anordnung ergibt sich mit Blick auf die Filterleistung jedoch, wenn im Filtermedium des Filters zumindest eine Lage, die lonenaustauschermaterial umfasst, näher in Richtung des Lufteinlasses liegt als sämtliche Lagen, die erstes Aktivkohlematerial und/oder zweites Aktivkohlematerial umfassen. Unabhängig von der Anordnung der Lagen ist es in jedem Fall bevorzugt, wenn das Filtermedium an der dem Lufteinlass zugewandten Seite eine Filterschicht aufweist.

Die Erfindung betrifft auch ein Brennstoffzellensystem, insbesondere

Polymerelektrolytbrennstoffzellensystem, vor allem em Niedertemperatur- Polymerelektrolytbrennstoffzellensystem, umfassend ein Fluidleitungssystem zur Fluidversorgung, wobei in zumindest einer Fluidleitung, bevorzugt einer kathodenseitigen Fluidleitung, ein erfindungsgemäßer Filter vorgesehen ist.

Offenbart wird im Zusammenhang mit der Erfindung auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Filtermaterials als Kathodenluftfilter einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle, zur Verlängerung der Lebensdauer der Brennstoffzelle.

Nachfolgend werden die Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur näher erläutert und beschrieben. In den Figuren zeigt dabei:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Auswahl an Anordnungen der einzusetzenden Komponenten in erfindungsgemäßen Filtermaterialien;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Auswahl an Anordnungen der einzusetzenden Komponenten in erfindungsgemäßen Filtermaterialien;

Fig. 3 eine schematische Darstellung besonders bevorzugter Anordnungen der einzusetzenden Komponenten in erfindungsgemäßen Filtermaterialien und deren relative Anordnung zur Einströmrichtung in einem erfindungsgemäßen Filter;

Fig. 4 eine graphische Auftragung der gemessenen NH ₃ - Adsorptionsisothermen für verschiedene lonenaustauschermaterialien; und

Fig. 5 eine graphische Auftragung der gemessenen NHs-Durchbruchskurven für Filtermedien.

Fig. 1 zeigt eine Auswahl an schematischen Darstellungen beispielhafter erfindungsgemäßer Filtermedien 10, in denen die eingesetzten Komponenten in verschiedenen Lagen angeordnet sind, wobei diese Ausführungsformen nach Einschätzung der Erfinder besonders vorteilhaft sind. Die dargestellten Filtermedien 10 umfassen jeweils eine Filterschicht 26, die im gezeigten Beispiel aus Polypropylen besteht, sowie eine oder mehrere Trägerschichten 28, die vorliegend aus für innenliegende Trägerschichten 28 aus Polyethylenterephthalat und für außenliegende Schichten aus Polyamid (PA6) ausgebildet sind.

Die dargestellten beispielhaften Filtermedien 10 umfassen jeweils ein lonenaustauschermaterial, ein imprägniertes erstes Aktivkohlematerial und ein unimprägniertes zweites Aktivkohlematerial, wobei jeweils auch mehrere dieser Materialien eingesetzt werden könnten.

In den Beispielen der Fig. 1 bis 3 ist das lonenaustauschermaterial Poly(styrol-co- divinylbenzoljsulfonsäure, welche als ungetrockneter, partikulärer und makroporöser Feststoff eingesetzt wird und welches bei einem Druck von 10 kPa und einer Temperatur von 23 °C eine statisch volumetrische Aufnahme von NH3 von mehr als 100 cm ³ /g, nämlich von etwa 160 cm ³ /g, aufweist.

Bei dem imprägnierten ersten Aktivkohlematerial handelt es sich in dem dargestellten Beispiel um ein Aktivkohlematerial, welches unter Verwendung üblicher Imprägnierungsverfahren durch Imprägnierung mit Kaliumcarbonat oder Kaliumiodid oder einer Mischung dieser Alkalisalze, aus einem unimprägnierten Aktivkohleausgangsmaterial erhalten wurde, wobei das Aktivkohleausgangsmaterial im gezeigten Beispiel durch das unimprägnierte zweite Aktivkohlematerial gebildet wird. Alternativ zu einer Imprägnierung mit einer Mischung aus zwei oder mehreren Salzen können beispielsweise auch Mischungen von zwei oder mehreren Aktivkohlen eingesetzt werden, die jeweils nur mit einem Salz imprägniert wurden.

Bezogen auf die kombinierte Masse der Adsorbenzien, d.h. der lonenaustauschermaterialien, der ersten Aktivkohlematerialien und der zweiten Aktivkohlematerialien beträgt der Massenanteil des lonenaustauschermaterials, des ersten Aktivkohlematerials bzw. des zweiten Aktivkohlematerials in den beispielhaften Filtermedien 10, etwa 20 %, etwa 50 % bzw. etwa 30 %. Die beispielhaften Filtermedien 10 umfassen die vorstehenden beschriebenen Komponenten in der Form von separaten Lagen und/oder Mischlagen.

Für die separaten Lagen, d.h. die lonenaustauscherlage 20, die erste Aktivkohlelage 22 und die zweite Aktivkohlelage 24, gilt, dass diese in den dargestellten Ausführungsformen der Fig. 1 bis 3 jeweils im Wesentlichen vollständig aus dem entsprechenden Material bestehen.

Für die Mischlagen, d.h. die AB-Mischlage 12 aus lonenaustauschermaterial a) und erstem Aktivkohlematerial b), die AC- Mischlage 14 aus lonenaustauschermaterial a) und zweitem Aktivkohlematerial c), die BC-Mischlage 16 aus erstem Aktivkohlematerial b) und zweitem Aktivkohlematerial c), sowie die ABC-Mischlage 18 aus den drei Komponenten a), b) und c), gilt, dass diese in den dargestellten Ausführungsformen der Fig. 1 bis 3 jeweils im Wesentlichen vollständig aus den entsprechenden Materialien bestehen. In den lediglich schematischen Figuren werden Mischlagen mit zwei oder drei Komponenten aus Gründen der Übersichtlichkeit mit einer größeren Dicke dargestellt.

Auch die Fig. 2 zeigt weitere beispielhafte erfindungsgemäße Filtermedien 10, in denen die eingesetzten Komponenten in verschiedenen Lagen angeordnet sind, wobei gegenüber der Fig. 1 jedoch keine Filterschicht 26 gezeigt wird, deren Einsatz aber auch für die in Fig. 2 gezeigten Aufbauten bevorzugt ist.

Die Fig. 3 zeigt abschließend ausgehend von den vorstehend beschriebenen Lagen und Schichten drei besonders bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäße Filtermedien 10, wobei auch der Orientierung in einem erfindungsgemäßen Kathodenluftfilter für Brennstoffzellen Rechnung getragen wird, indem die aus dem Lufteinlass des Filters auf das Filtermedium 10 auftreffende Luft durch einen Pfeil angedeutet wird. Entsprechend ist aus Fig. 3 ersichtlich, in welcher Reihenfolge die verschiedenen Lagen und Schichten der beispielhaften Filtermedien 10 im Filter von der einströmenden Luft durchlaufen werden, bevor diese zur Kathode der Brennstoffzelle geführt wird. Nachfolgend werden die Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zudem unter Bezugnahme auf Experimente und die in Fig. 4 dargestellten Messwerte weiter erläutert und beschrieben.

Experimente: A. NHs-Adsorption:

Für ausgewählte lonenaustauschermaterialien wurden NH3-

Adsorptionsiosthermen aufgenommen, um die Leistungsfähigkeit der Substanzen für die Adsorption für diese gasförmige Verunreinigung zu identifizieren, deren zuverlässige Entfernung aus der Prozessluft von Brennstoffzellen als besonders relevant für die Steigerung der Lebensdauer dieser Brennstoffzellen identifiziert wurde.

Untersuchte lonenaustauschermaterialien:

Als Proben A bis I wurden verschiedene kommerziell erhältliche lonenaustauschermaterialien untersucht. Die eingesetzten Substanzen sind in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengefasst, wobei auch die Materialbeschaffenheit angegeben wurde, insbesondere ob die Substanzen nach der Herstellung einem separaten Trocknungsschritt unterzogen wurden.

Tabelle 1

Die Proben A und I stammen dabei von unterschiedlichen Herstellern und erlauben es, etwaige herstellerspezifische Faktoren auszuschließen.

Versuchsdurchführung:

Die Messung der NH ₃ -Adsorptionsiosthermen erfolgte mit einer Messvorrichtung der Firma 3P Instruments, Typ Vapor 200C. Die Vorrichtung verfügte über Dichtungen zur Sicherstellung von Korrosionsbeständigkeit gegenüber korrosiven Adsorptiven, eine Öl-freie Vakuumpumpe zur Sicherstellung von kontaminationsfreien Messungen sowie drei Drucksensoren mit 133,32 kPa (1000 Torr), 1 ,33 kPa (10 Torr) und 0,13 kPa (1 Torr). Die Temperatureinstellung erfolgte über einen doppelwandigen Thermostaten, welcher an einen regelbaren Umwälzthermostat angeschlossen war. Helium (Reinheit N5.0) wurde benutzt, um Totvolumina der Messzellen zu bestimmen. Für das Adsorptiv NH ₃ wurde die Reinheit N5.0 verwendet.

Für die Proben wurden jeweils mindestens 100 mg (lonenaustauscherfasern), in den meisten Fällen sogar mindestens 200 mg (sphärische Ionenaustauscher, gelartige lonenaustauschermaterialien) an Probenmenge eingewogen.

Vor der Messung wurden sämtliche Proben nach dem Einwiegen im Messröhrchen für jeweils 3 h bei 60 °C und 10 ^-3 mbar an der Messstation getrocknet bzw. entgast.

Ergebnisse:

Die Ergebnisse der Messungen sind in Fig. 4 aufgetragen. Es ist deutlich zu erkennen, dass die lonenaustauschermaterialien, die in erfindungsgemäßen Filtermedien eingesetzt werden können, insbesondere die Proben A, C F, H und I eine ausgezeichnete NH ₃ -Adsorption zeigen. Hierbei liegt insbesondere die NH ₃ - Adsorption bei kleinen Drücken (unter 10 kPa) deutlich über den Werten der Vergleichsproben B, D und E, wobei dieser steile Anstieg bei niedrigen Drücken als besonders vorteilhaft angesehen wird.

Die ebenfalls in erfindungsgemäßen Filtermedien einsetzbare Probe G, in der die Trägermatrix neben Sulfonsäure auch mit basischen funktionellen Gruppen, nämlich Ammonium-Gruppen, funktionalisiert ist, bestätigt deutlich, dass sich der vorteilhafte Effekt auch zeigt, wenn das lonenaustauschermaterial nicht vollständig mit Säuregruppen funktionalisiert ist und dass auch basische Gruppen im Material nur zu einer anteiligen Reduzierung führen.

Aus dem Vergleich der in erfindungsgemäßen Filtermedien einsetzbaren lonenaustauschermaterialien mit Sulfonsäuregruppen der Proben A, C F, H und I ist zu erkennen, dass mit partikulären, makroporösen Materialien (Proben A, H und I) bei sonst gleichen Parametern insgesamt bessere Resultate erhalten werden als mit gel-artigen Materialien (Proben C und F), wobei der Unterschied insbesondere bei getrockneten Material deutlich ersichtlich wird. Ebenfalls ist zu erkennen, dass bei sonst gleichen Voraussetzungen im Durchschnitt die besten Ergebnisse erhalten werden, wenn die lonenaustauschermaterialien ungetrocknet, d.h. mit einer gewissen Restfeuchte, bevorzugt im Bereich von 20 bis 25 %, eingesetzt werden.

B. NH ₃ -Durchbruch:

Für drei ausgewählte erfindungsgemäße Filter bzw. Filtermedien (E1 bis E3) sowie vier nicht erfindungsgemäße Filter bzw. Filtermedien aus dem Stand der Technik (V1 bis V4) wurden NH ₃ -Durchbruchskurven aufgenommen, um die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Filtermedien zu dokumentieren.

Untersuchte Filtermedien:

Als Proben E1 bis E3 sowie V1 bis V4 wurden die folgenden Filtermedien bzw. Filter eingesetzt. Als Probe E1 wurde ein erfindungsgemäßer Filter vermessen, in dem ein erfindungsgemäßes Filtermedium mit einer Medienfläche von 0,33 m ² als Filtermedium eingesetzt wurde. Das erfindungsgemäße Filtermedium bestand aus einem Lagenaufbau (in der Reihenfolge der Durchströmung) mit einer Lage aus unimprägnierter Aktivkohle (Massenanteil am Filtermedium etwa 15 %), einer Lage aus imprägnierter Aktivkohle (Massenanteil am Filtermedium etwa 40 %; Imprägnierung mit Kaliumcarbonat) und einer lonenaustauscherlage (Massenanteil am Filtermedium etwa 25 %; sulfoniertes Styrol-Divinylbenzol- Copolymer). Das kombinierte Flächengewicht der Adsorbentien betrug ca. 1000 g/m ² , der verbleibende Massenanteil entfiel auf die verwendeten Trägerlagen und den zur Verbindung der Lagen eingesetzten Klebstoff.

Als Probe E2 wurde das isolierte, flache erfindungsgemäße Filtermedium vermessen (Rondenförmige Probe, d=150 cm), welches in der Probe E1 eingesetzt wurde, um dadurch den Einfluss von Geometriefaktoren im Filter der E1 , insbesondere den Einfluss der Faltung des Filtermediums, bewerten zu können. Das Filtermedium der E2 bestand somit auch aus einem Lagenaufbau (in der Reihenfolge der Durchströmung) mit einer Lage aus unimprägnierter Aktivkohle (Massenanteil am Filtermedium etwa 15 %), einer Lage aus imprägnierter Aktivkohle (Massenanteil am Filtermedium etwa 40 %; Imprägnierung mit Kaliumcarbonat) und einer lonenaustauscherlage (Massenanteil am Filtermedium etwa 25 %; sulfoniertes Styrol-Divinylbenzol- Copolymer). Das kombinierte Flächengewicht der Adsorbentien betrug ca. 1000 g/m ² , der verbleibende Massenanteil entfiel auf die verwendeten Trägerlagen und den zur Verbindung der Lagen eingesetzten Klebstoff.

Als Probe E3 wurde ein erfindungsgemäßes Filtermedium vermessen, welches analog zu E2 als flaches Filtermedium vermessen wurde (Rondenförmige Probe, d=113 cm). Das Filtermedium der E3 bestand aus einem Lagenaufbau (in der Reihenfolge der Durchströmung) mit einer lonenaustauscherlage (Massenanteil am Filtermedium etwa 20 %; sulfoniertes Styrol-Divinylbenzol-Copolymer), einer Lage aus imprägnierter Aktivkohle (Massenanteil am Filtermedium etwa 50 %; Imprägnierung mit Kaliumcarbonat) und einer Lage unimprägnierter Aktivkohle (Massenanteil am Filtermedium etwa 15 %), einer Lage aus und einer. Das kombinierte Flächengewicht der Adsorbentien betrug ca. 1200 g/m ² , der verbleibende Massenanteil entfiel auf die verwendeten Trägerlagen und den zur Verbindung der Lagen eingesetzten Klebstoff.

Als Vergleichsprobe V1 wurde ein kommerziell erhältlicher Filter mit einer „Honeycomb“ Struktur vermessen (Typ 063G0 - 5WM-305). Als Probe wurde eine rondenförmige Probe (d=50 cm) eingesetzt, wobei der Volumenstrom angepasst wurde, um der Probengröße Rechnung zu tragen.

Als Vergleichsproben V2 und V3 wurden rondenförmige Proben (V2, d = 150 mm, Gesamtflächengewicht der Adsorbentien ca. 700 g/m ² ; (V3, d = 150 mm, Gesamtflächengewicht der Adsorbentien ca. 720 g/m ² ) von zwei kommerziell erhältlichen Filtermedien vermessen, die für den Einsatz in Kathodenluftfiltern für Brennstoffzellen-Kraftfahrzeugen bestimmt sind.

Als Vergleichsprobe V4 wurde eine isolierte, flache, rondenförmige Probe eines kommerziell erhältlichen Filters des Typ 28113-M5000 der Firma Mahle (V4, d = 50 mm, Gesamt-Flächengewicht ca. 1218 g/m ² davon Partikelfiltrationslage ca. 231 g/m ² , abtrömseitiges Spunbond ca. 72 g/m ² , und Aktivkohle ca. 815 g/m ² ) vermessen.

Versuchsdurchführung:

Die Messung der NH ₃ -Durchbruchskurven erfolgte mit einer Messvorrichtung gemäß ISO 11155-2 bzw. DIN 71460-2.

Für die Messungen wurden jeweils Ronden der Filtermedien der Größe 50 mm < d < 150 mm der Filter oder ganze Filterelemente in den luftführenden Strom gebracht und unter Norm-Bedingungen bei 23 °C, 50 % relativer Luftfeuchte, 30 ppm NH ₃ vermessen. Die Anströmgeschwindigkeiten betrugen 9 cm/s < v < 95 cm/s, bevorzugt 9 cm/s < v < 20 cm/s.

Ergebnisse:

Die Ergebnisse der Messungen sind in Fig. 5 aufgetragen, wobei auf der Y-Achse der Parameter B aufgetragen ist, welcher dem Durchbruch in % entspricht. Es ist deutlich zu erkennen, dass die erfindungsgemäßen Filter bzw. Filtermedien E1 , E2 und E3 gegenüber den nicht erfindungsgemäßen Filtern bzw. Filtermedien aus dem Stand der Technik V1 , V2, V3 und V4 ein deutlich verbessertes Durchbruchsverhalten (Effizienz) und in Folge einer deutlich reduzierten Zunahme von B mit der Zeit, sowie insbesondere bei längeren Zeiten einen deutlich reduzierten Durchbruch und somit verbesserte Filtrations-/Adsorptionseffizienz zeigen.

Bezuqszeichen

10 Filtermedium

12 AB-Mischlage

14 AC-Mischlage 16 BC-Mischlage

18 ABC-Mischlage

20 lonenaustauscherlage

22 erste Aktivkohlelage

24 zweite Aktivkohlelage 26 Filterschicht

28 Trägerschicht