DE10158513A1

DE10158513A1 - Brennstoffzellenelektrode

Info

Publication number: DE10158513A1
Application number: DE10158513A
Authority: DE
Inventors: Prathap Haridoss; Chockkalingam Karuppaiah; James F Mcelroy; Glenn Eisman
Original assignee: Plug Power Inc
Current assignee: Plug Power Inc
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2002-08-08
Also published as: JP2002231254A; US20030031916A1

Abstract

Eine Struktur beinhaltet einen Katalysator, ein nicht-elektrolytisches Material, das von dem Katalysator verschieden ist, wobei der Katalysator und das nicht-elektrolytische Material eine Brennstoffzellenelektrode bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Struktur, die verwendet werden kann, beispielsweise in einer Brennstoffzelle und/oder einem Brennstoffzellenstapel.

Eine Brennstoffzelle kann chemische Energie in elektrische Energie durch Unterstützen einer chemischen Reaktion zwischen zwei Gasen konvertieren.

Ein Typ einer Brennstoffzelle beinhaltet eine Kathoden-Strömungsfeldplatte, eine Anoden-Strömungsfeldplatte, eine Membran-Elektroden-Anordnung, die zwischen der Kathoden-Strömungsfeldplatte und der Anoden-Strömungsfeldplatte angeordnet ist, sowie zwei Gasdiffusionsschichten, die zwischen der Kathoden- Strömungsfeldplatte und der Anoden-Strömungsfeldplatte angeordnet sind. Eine Brennstoffzelle kann ebenso eine oder mehrere Kühlmittel-Strömungsfeldplatten beinhalten, die in der Nähe des Äußeren der Anoden-Strömungsfeldplatte und/oder des Äußeren der Kathoden-Strömungsfeldplatte angeordnet sind.

Jede Strömungsfeldplatte weist einen Einlassbereich, einen Auslassbereich und seitlich offene Kanäle auf, die den Einlassbereich mit dem Auslassbereich verbinden und einen Weg zum Verteilen der Gase zu der Membran-Elektroden-Anordnung zur Verfügung stellen.

Die Membran-Elektroden-Anordnung beinhaltet gewöhnlich ein festes Elektrolyt (zum Beispiel eine Protonen-Austausch-Membran, im allgemeinen abgekürzt als PEM) zwischen einem ersten Katalysator und einem zweiten Katalysator. Eine Gasdiffusionsschicht befindet sich zwischen dem ersten Katalysator und der Anoden- Strömungsfeldplatte, und die andere Gasdiffusionsschicht befindet sich zwischen dem zweiten Katalysator und der Kathoden-Strömungsfeldplatte.

Während des Betriebs der Brennstoffzelle tritt eines der Gase (das Anodengas) in die Anoden-Strömungsfeldplatte an dem Einlassbereich der Anoden-Strömungsfeldplatte ein und durchströmt die Kanäle der Anoden-Strömungsfeldplatte in Richtung zu dem Auslassbereich der Anoden-Strömungsfeldplatte. Das andere Gas (das Kathodengas) tritt in die Kathoden-Strömungsfeldplatte an dem Einlassbereich der Kathoden- Strömungsfeldplatte ein und durchströmt die Kanäle der Kathoden- Strömungsfeldplatte in Richtung des Auslassbereiches der Kathoden- Strömungsfeldplatte.

Während das Anodengas durch die Kanäle der Anoden-Strömungsfeldplatte strömt, durchwandert das Anodengas die Anoden-Gasdiffusionsschicht und reagiert mit dem anodischen Katalysator. In gleicher Weise, wenn das Kathodengas durch die Kanäle der Kathoden-Strömungsfeldplatte strömt, durchwandert das Kathodengas die Kathodengas-Diffusionsschicht und tritt in Wechselwirkung mit dem kathodischen Katalysator.

Der anodische Katalysator tritt in Wechselwirkung mit dem Anodengas, um die Umwandlung des Anodengases in Reaktionszwischenprodukte zu katalysieren. Die Reaktionszwischenprodukte beinhalten Ionen und Elektronen. Der kathodische Katalysator tritt in Wechselwirkung mit dem Kathodengas und den Reaktionszwischenprodukten, um die Umwandlung des Kathodengases in das chemische Produkt der Brennstoffzellenreaktion zu katalysieren.

Das chemische Produkt der Brennstoffzellenreaktion durchströmt eine Gasdiffusionsschicht zu den Kanälen einer Strömungsfeldplatte (z. B. der Kathoden- Strömungsfeldplatte). Das chemische Produkt strömt dann entlang den Kanälen der Strömungsfeldplatte in Richtung des Auslassbereichs der Strömungsfeldplatte.

Das Elektrolyt stellt eine Grenze für den Fluss der Elektronen und Gase von einer Seite der Membran-Elektroden-Anordnung zu der anderen Seite der Membran- Elektroden-Anordnung zur Verfügung. Jedoch gestattet das Elektrolyt den ionischen Reaktionszwischenprodukten, von der Anodenseite der Membran-Elektroden- Anordnung zu der Kathodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung zu fließen.

Aus diesem Grund können die ionischen Zwischenreaktionsprodukte von der Anodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung zu der Kathodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung fließen, ohne die Brennstoffzelle zu verlassen. Im Gegensatz hierzu fließen die Elektronen von der Anodenseite der Membran- Elektroden-Anordnung zu der Kathodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung, wobei sie elektrisch einen äußeren Verbraucher zwischen der Anoden- Strömungsfeldplatte und der Kathoden-Strömungsfeldplatte verbinden. Der äußere Verbraucher gestattet den Elektronen, von der Anodenseite der Membran-Elektroden- Anordnung durch die Anoden-Strömungsfeldplatte, durch den Verbraucher und zu der Kathoden-Strömungsfeldplatte zu fließen.

An der Anodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung werden Elektronen gebildet, was anzeigt, dass das Anodengas während der Brennstoffzellenreaktion einer Oxidation unterliegt. An der Kathodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung werden die Elektronen verbraucht, was anzeigt, dass das Kathodengas während der Brennstoffzellenreaktion einer Reduktion unterliegt.

Zum Beispiel fließt Wasserstoff durch die Anoden-Strömungsfeldplatte und durchläuft eine Oxidation, wenn Wasserstoff und Sauerstoff die in einer Brennstoffzelle verwendeten Gase sind. Der Sauerstoff strömt durch die Kathoden- Strömungsfeldplatte und unterliegt einer Reduktion. Die spezifischen, in der Brennstoffzelle auftretenden Reaktionen sind in den Gleichungen 1-3 wiedergegeben.

H₂ ⇒ 2H⁺ + 2e^- (1)

½O₂ + 2H⁺ + 2e^- ⇒ H₂O (2)

H₂ + ½O₂ ⇒ H₂O (3)

Wie in Gleichung 1) gezeigt, bildet der Wasserstoff Protonen (H⁺) und Elektronen. Die Protonen strömen durch das Elektrolyt zur Kathodenseite der Membran- Elektroden-Anordnung, und die Elektronen fließen von der Anodenseite der Membran-Elektrodenanordnung zur Kathodenseite der Membran- Elektrodenanordnung durch den äußeren Verbraucher. Wie in Gleichung 2) gezeigt, reagieren die Elektronen und die Protonen mit dem Sauerstoff, um Wasser zu bilden. Gleichung 3) zeigt die gesamte Brennstoffzellenreaktion.

Zusätzlich zur Bildung chemischer Produkte erzeugt die Brennstoffzellenreaktion Wärme. Eine oder mehrere Kühlmittel-Strömungsfeldplatten werden typischerweise verwendet, um die Wärme von der Brennstoffzelle abzuführen und deren Überhitzung zu verhindern.

Jede Kühlmittel-Strömungsfeldplatte weist einen Einlassbereich, einen Auslassbereich und Kanäle auf, die eine Fluidverbindung zwischen dem Einlassbereich der Kühlmittel-Strömungsfeldplatte und dem Auslassbereich der Kühlmittel- Strömungsfeldplatte zur Verfügung stellen. Ein Kühlmittel (zum Beispiel flüssiges, deionisiertes Wasser oder andere Flüssigkeiten mit geringer Leitfähigkeit) tritt bei einer relativ geringen Temperatur an dem Einlassbereich in die Kühlmittel- Strömungsfeldplatte, strömt durch die Kanäle der Kühlmittel-Strömungsfeldplatte in Richtung des Auslassbereichs der Kühlmittel-Strömungsfeldplatte und verlässt die Kühlmittel-Strömungsfeldplatte am Auslassbereich der Kühlmittel- Strömungsfeldplatte. Während das Kühlmittel durch die Kanäle der Kühlmittel- Strömungsfeldplatte fließt, absorbiert das Kühlmittel die in der Brennstoffzelle gebildete Wärme. Wenn das Kühlmittel die Kühlmittel-Strömungsfeldplatte verlässt, wird die Wärme, die von dem Kühlmittel absorbiert ist, aus der Brennstoffzelle entfernt.

Fig. 1) zeigt ein Brennstoffzellensystem 20, das einen Brennstoffzellenstapel 30 mit einer Vielzahl an Brennstoffzellen 35 beinhaltet. Das Brennstoffzellensystem 20 beinhaltet ebenso eine Anodengasversorgung 40, eine Anodengaseinlassleitung 50, eine Anodengasauslassleitung 60, eine Kathodengasversorgung 65, eine Kathodengaseinlassleitung 70, eine Kathodengasauslassleitung 80, eine Kühlmitteleinlassleitung 90 und eine Kühlmittelauslassleitung 100.

Um die zur Verfügung stehende elektrische Energie zu erhöhen, kann eine Vielzahl von Brennstoffzellen 35 in Reihe angeordnet werden, um einen Brennstoffzellenstapel 30 zu bilden. Beispielsweise funktioniert eine Seite der Strömungsfeldplatte als Anoden-Strömungsfeldplatte für eine Brennstoffzelle, während die gegenüberliegende Seite der Strömungsfeldplatte als Kathoden-Strömungsfeldplatte in einer anderen Brennstoffzelle funktioniert. Diese Anordnung kann als bipolare Platte bezeichnet werden. Der Stapel kann ebenso Platten beinhalten, wie beispielsweise eine Anoden- Kühlmittel-Strömungsfeldplatte mit einer Seite, die als eine Anoden- Strömungsfeldplatte dient, und einer anderen Seite, die als Kühlmittel- Strömungsfeldplatte dient. Beispielsweise können die seitlich offenen Kühlmittelkanäle einer Anoden-Kühlmittel-Strömungsfeldplatte und einer Kathoden- Kühlmittel-Strömungsfeldplatte zusammenpassen, um gemeinsame Kühlmittelkanäle zum Kühlen der benachbarten Strömungsfeldplatten, die Brennstoffzellen bilden, zu bilden.

Fig. 2) ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 20 im Betrieb. Eine Anodengasversorgung 40, beispielsweise ein Reformer, stellt parallel Wasserstoffgas über die Einlassleitung 50 zu den Anoden der Zellen 1 bis n zur Verfügung. An jeder Zelle wandelt die Anode den Wasserstoff in Protonen und Elektronen um. Die Protonen wandern durch das feste Elektrolyt und zu der Kathode der jeweiligen Zellen. An Zelle 1 fließen die Elektronen zu einem äußeren Verbraucher, an den anderen Zellen fließen die Elektroden zu der Kathode der benachbarten Brennstoffzelle, zu dem äußeren Verbraucher (Fig. 2). Nicht reagiertes Anodengas fließt durch die Zellen des Brennstoffzellenstapels 30 durch den Auslass 60.

Auf ähnliche Art und Weise stellt eine Kathodengasversorgung 65, zum Beispiel ein Luftgebläse, parallel Sauerstoff (Luft) über die Einlassleitung 70 zu der Kathode der Zellen 1 bis n bereit. An jeder Zelle bildet die Kathode Wasser aus Sauerstoff, den Protonen von der jeweiligen Anode und aus den Elektronen, die von dem äußeren Verbraucher (Zelle n) oder der benachbarten Anode (Zelle 1 bis 1 - n) fließen. Das Wasser wird aus dem Stapel 30 durch den Kathodengasstrom entfernt. Nach Durchströmen der Zellen strömt der Sauerstoff aus dem Brennstoffzellenstapel 30 durch den Auslass 80 aus.

Wenn das Anodengas und das Kathodengas dem Brennstoffzellensystem 20 zugeführt werden, werden folglich Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser umgewandelt, und Elektronen durch den äußeren Verbraucher, wodurch elektrische Energie geliefert wird.

Zusammenfassung

Während des Betriebs kann es von Nöten sein, dass ein Brennstoffzellensystem seinen Leistungsausgang nahezu plötzlich erhöht, zum Beispiel wenn ein Benutzer den Leistungsbedarf erhöht, indem er plötzlich mehrere mit dem Brennstoffzellensystem verbundene Vorrichtungen betreibt. Dieser angestiegene Leistungsbedarf benötigt im Allgemeinen einen angestiegenen Fluss von Sauerstoff und Wasserstoff jeweils zu den Kathoden und Anoden. Ohne an die Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass in diesen Situationen ausreichend Sauerstoff zu den Kathoden nahezu schlagartig geliefert werden kann, z. B. durch Erhöhen des Ausgangs eines Gebläses. Jedoch können eine Wasserstoffversorgung oder ein Produktionssystem (ein Brennstoffprozessor oder Reformer) eine Verzögerung von beispielsweise ca. 15-30 Sekunden erfahren, bevor diese ausreichend Wasserstoff produzieren können, um dem erhöhten Leistungsbedarf gerecht zu werden. Solche Verzögerungen können dem Brennstoffzellensystem Wasserstoff entziehen, der benötigt wird, um den angestiegenen Leistungsbedarf zu produzieren, eine Situation, die manchmal als "Brennstoffaushungerung" bezeichnet wird. Eine Verzögerungen in der Ansprechzeit eines Brennstoffprozessors kann als "Reformer-Einschwingen" bezeichnet werden.

Verzögerungen in der Brennstoffversorgung können ebenso durch Faktoren, wie beispielsweise Ventilblockierung, verursacht werden.

Es wird angenommen, dass während der Reformer-Einschwing-Vorgänge die Polarität einer oder mehrerer Zellen in dem Stapel durch die Effekte der Brennstoffaushungerung umgekehrt werden kann, was potentiell die Zellen schädigt. Beispielsweise, wenn einige Brennstoffzellen ihren Betrieb fortsetzen, da sie noch überschüssigen Brennstoff enthalten, beginnen eine oder mehrere als Verbraucher zu arbeiten, da sie nahezu oder vollständig ohne Wasserstoff sind, d. h. brennstoffausgehungert. Diese brennstoffausgehungerten Brennstoffzellen werden die Polarität umkehren.

Beispielsweise, wieder bezugnehmend auf Fig. 2, fährt die Zelle 3 während eines Reformer-Einschwingens fort, normal zu arbeiten, d. h. Brennstoffgase zu reagieren, um Leistung und Wasser zu produzieren, jedoch arbeitet die Zelle 2 nicht normal, da diese ohne Wasserstoff ist. Die Anode der Zelle 3 fährt fort, die Elektronen zu der Kathode der Zelle 2 zu transferieren, jedoch produziert die Anode der Zelle 2 nicht genügend Elektronen aus der Wasserstoffoxidation. Als Ergebnis wird die Polarität der Elektroden von den normalen Betriebsbedingungen umgekehrt und/oder kann die Potentialdifferenz zwischen der Anode und der Kathode der Zelle 2 auf relativ hohe Oxidationspotentiale, größer ca. 0,6 Volt oder größer als ca. 1,23 Volt gegenüber einer Standard-Wasserstoffelektrode (SHE) ansteigen. Bei diesem Potential wirkt die Anode der Zelle 2 mit Wasser zusammen, um Protonen, Elektronen und Sauerstoff zu produzieren (H₂O ⇒ 2H⁺ + 2e^- + ½O₂). Die Protonen migrieren zu der Kathode der Zelle 2, und die Elektronen migrieren zu der Kathode der Zelle 1 wie in dem normalen Brennstoffzellenprozess.

Jedoch können das relativ hohe Oxidationspotential und die Entstehung von Sauerstoff an der Anode der Zelle 2 Materialien in der Brennstoffzelle oxidieren und degradieren, beispielsweise bestimmte anodische Katalysatoren (z. B. Ruthenium), Katalysatorträger (z. B. Kohlenstoff) und Kohlenstoff in der Gasdiffusionsschicht. Diese Oxidationsbedingungen können zu einem irreversiblen Schaden durch Herabsetzen des elektrochemisch aktiven Bereichs, der an der Anode zur Verfügung steht, führen und dadurch zu einem Verlust der Brennstoffzelleneffizienz.

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenstruktur, die unempfindlich gegenüber der Brennstoffzellenaushungerung während des Reformer-Einschwingens ist. Die Struktur eliminiert den Gebrauch eines Trägers, der während des Reformer-Einschwingens für die Oxidation empfänglich ist, und kann ein oxidationsbeständiges Trägermaterial beinhalten. Die Struktur kann ebenso einen nicht-elektrolytischen Binder zum Binden des Katalysators beinhalten. Ohne an die Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass der Binder die Migration von Protonen verhindert. Es wird weiter angenommen, dass der Binder im Allgemeinen nicht schrumpft oder schwillt, eine gute Kontaktfläche zwischen den Katalysatorpartikeln und zwischen der Anode und dem festen Elektrolyt zur Verfügung stellt. Durch Einschränken der Protonenmigration kann der Binder auch die Oxidation von Materialien infolge des Aufbrechens von Wasser begrenzen mit Ausnahme an der Katalysator-Elektrolyt- Zwischenfläche. D. h., der Binder kann verhindern, dass die Reaktion H₂O ⇒ 2H⁺ + 2e^- + ½O₂ an Elementen auftritt, die der Oxidation ausgesetzt sind.

In einem Aspekt betrifft die Erfindung eine Struktur mit einem Katalysator und einem nicht-elektrolytischen Material, das von dem Katalysator unterschiedlich ist, wobei der Katalysator und das nicht-elektrolytische Material eine Brennstoffzellenelektrode bilden. Die Struktur kann des Weiteren ein erstes Material beinhalten, das gegenüber Oxidation bis zu ca. 3,0 Volt gegenüber SHE resistent ist.

In einem Aspekt betrifft die Erfindung eine Struktur mit einem Katalysator und einem ersten Material, das gegenüber Oxidation von bis zu ca. 3,0 Volt gegenüber SHE resistent ist, wobei der Katalysator und das erste Material eine Brennstoffzellenelektrode bilden.

Ausgestaltungen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale beinhalten:
Die Elektrodenstruktur kann zwischen ca. 75 bis 95 Gewichtsprozent des Katalysators mit dem nicht-elektrolytischen Material für den Restanteil beinhalten. Der Katalysatoranteil kann zwischen ca. 5 bis 95 Gewichtsprozent des Materials beinhalten, das gegenüber Oxidation von bis zu ca. 3,0 Volt gegenüber SHE resistent ist.

Der Katalysator kann einer reversiblen Oxidbildung unterliegen. Der Katalysator ist geeignet, die Oxidation eines Brennstoffzellengases, wie beispielsweise eines, das Wasserstoff aufweist, zu katalysieren. Der Katalysator kann aus einer Gruppe ausgewählt werden, die aus Platin, Ruthenium, Iridium, Rhodium, Palladium, Molybdän und Legierungen davon besteht. Der Katalysator kann auf dem ersten Material verteilt sein, beispielsweise mit einem Anteil zwischen ca. 5% und ca. 95%.

Das erste Material kann ein Oxid, wie beispielsweise Wolframoxid, Zirkonoxid, Nioboxid und Tantaloxid beinhalten.

Das nicht-elektrolytische Material kann Polytetrafluorethylen oder ein fluorenthaltendes Harz, wie beispielsweise ein Co-polymer aus Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen sein.

In einem noch weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Struktur mit einem Katalysator, wie beispielsweise Platin, der geeignet ist, die Oxidation eines Brennstoffzellengases zu katalysieren, und mit einem ersten Material, das gegenüber Oxidation von bis zu ca. 3,0 Volt gegenüber SHE resistent ist, wie beispielsweise ein Oxid, und mit einem nicht-elektrolytischen Material - wie beispielsweise Polytetrafluorethylen. Der Katalysator, das erste Material und das nicht- elektrolytische Material bilden eine Brennstoffzellenelektrode.

Andere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den Ansprüchen deutlich werden.

Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein partielles schematisches Diagramm einer Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems;

Fig. 2 ist ein partielles schematisches Diagramm einer Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems;

Fig. 3 ist eine partielle Querschnittsansicht einer Ausgestaltung einer Brennstoffzelle;

Fig. 4 zeigt eine Ausgestaltung einer Kathoden-Strömungsfeldplatte;

Fig. 5 zeigt eine Ausgestaltung einer Anoden-Strömungsfeldplatte;

Fig. 6 zeigt eine Ausgestaltung einer Kühlmittel-Strömungsfeldplatte.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Fig. 3 zeigt einen partiellen Querschnitt einer Brennstoffzelle 35, die eine Kathoden- Strömungsfeldplatte 110, eine Anoden-Strömungsfeldplatte 120, eine Membran- Elektroden-Anordnung (MEA) 115 mit einem festen Elektrolyt 130, einer kathodischen Katalysatorschicht 140, und einer anodischen Katalysatorschicht 150 und Gasdiffusionsschichten (GDLs) 160 und 170 beinhaltet. Die Brennstoffzellen 35 können so angeordnet werden, dass die Rückseite einer Kathoden-Strömungsfeldplatte einer Brennstoffzelle als die Anoden-Strömungsfeldplatte in der nächsten Brennstoffzelle dient. Eine Vielzahl an Kühlmittel-Strömungsfeldplatten (unten beschrieben) kann ebenso in dieser Anordnung zur Anwendung kommen.

Die anodische Katalysatorschicht 150 beinhaltet einen Katalysator, der auf einem oxidationsresistenten Material getragen ist, und ein nicht-elektrolytisches Material als ein Binder.

Der Katalysator in der anodischen Katalysatorschicht 150 ist aus einem Partikelmaterial gebildet, das gegenüber Brennstoffzellengasen unempfindlich ist und geeignet ist, ein Brennstoffzellengas zu oxidieren. Beispielsweise wird der Katalysator nicht nachteilig durch ein Reforming-Erzeugnis oder Kohlenmonoxid beeinflusst und ist geeignet, mit Wasserstoff zusammenzuwirken, um Protonen und Elektronen zu bilden. Der Katalysator kann eine reversible Oxidbildung durchführen, so dass, wenn die katalytische Aktivität des Katalysators durch die Oxidation und/oder Passivierung verringert ist, der Katalysator dann reaktiviert oder regeneriert durch Verringern des Katalysators, beispielsweise durch Erhitzen unter Wasserstoff, werden kann. Beispiele an Katalysatoren beinhalten Platin, Ruthenium, Iridium, Rhodium, Palladium und Molybdän und Legierungen aus Platin mit Iridium, Rhodium, Palladium und Molybdän. Andere geeignete Katalysatoren sind ebenso bekannt. Für eine verbesserte katalytische Aktivität können die katalytischen Partikel einen großen Oberflächenbereich und/oder kleine Partikelgröße, z. B. ca. 20 Å, aufweisen.

In bestimmten Ausgestaltungen wird der Katalysator auf einem oxidationsresistenten Material getragen. Durch ein Verteilen des Katalysators auf einem Trägermaterial kann die katalytische Aktivität der Anoden-Katalysatorschicht 150 auf derselben Höhe beibehalten werden wie bei der Verwendung eines grossvolumigen ungetragenen Katalysators, während der Gesamtanteil des Katalysators in der Anoden-Katalysatorschicht 150 verringert werden kann und dabei die Kosten zur Bildung der Schicht 150 reduziert werden. Mit anderen Worten, während weniger Katalysator zur Bildung der Schicht 150 verwendet werden kann, ist ein größerer Anteil des Katalysators effektiv nutzbar für die Brennstoffzellenreaktion als im Vergleich zu der Verwendung eines grossvolumigen, nicht getragenen Katalysators. Das oxidationsresistente Trägermaterial kann einem relativ hohen Oxidationspotential ausgesetzt werden, ohne oxidiert zu werden, z. B. während der Reformer- Einschwingvorgänge, wenn das Potential an der Anode ca. 1,3 bis ca. 1,4 Volt gegenüber einer Standard-Wasserstoff-Elektrode (SHE) erreichen kann, wie beispielsweise einem gegenüber in wasserstoffgesättigter Schwefelsäure eingetauchten Platindraht, der als eine Spannungsreferenz verwendet wird. Beispiele für oxidationsresistente Materialien beinhalten Wolframoxid, Zirkonoxid, Nioboxid und Tantaloxid. Der Katalysator kann auf demoxidationsresistenten Trägermaterial zwischen ca. 0,025 bis etwa 1,0 mg/cm² beladen werden.

Der Katalysator, entweder ungetragen oder getragen auf dem oxidationsresistenten Material, wird in ein mechanisch gebundenes Gemisch mit einem nicht- elektrolytischen Bindemittel gebracht. Das Bindemittel verhindert, dass die Protonen, durch die Anoden-Katalysatorschicht 150 hindurchgeleitet werden. Folglich sind Protonen, die von dem Katalysator gebildet werden und die durch das feste Elektrolyt 130 zu der Kathoden-Katalysatorschicht 140 migrieren, im Allgemeinen auf Bereiche in der Nähe der Zwischenfläche von der Anoden-Katalysatorschicht 150/dem festen Elektrolyt 130 beschränkt. Dementsprechend ist die Konzentration des Katalysators, der in der Nähe der Zwischenfläche der Anoden-Katalysatorschicht 150/dem festen Elektrolyten 130 lokalisiert ist, und/oder der Beladungsanteil des Katalysators auf dem Trägermaterial erhöht, um die gewünschte Protonenmigration zu der Kathoden- Katalysatorschicht 150 zu gewährleisten. Beispiele von nicht-elektrolytischen Materialien beinhalten fluorenthaltende Harze wie beispielsweise Polytetrafluorethylen, und Co-Polymere von Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen. Die Anoden-Katalysatorschicht 150 beinhaltet einen Bindenmittelanteil, der ausreichend ist, um die Schicht physikalisch zusammenzuhalten, der jedoch nicht nachteilig die elektrische Leitfähigkeit der Schicht 150 herabsetzt. Beispielsweise kann die Schicht 150 weniger als ca. 30% des nicht-elektrolytischen Bindemittels beinhalten.

Die Anoden-Katalysatorschicht 150 wird gebildet, indem zuerst eine Suspension auf eine Abziehfolie appliziert wird und die Abziehfolie bei einer erhöhten Temperatur getrocknet wird. Nachdem die Abziehfolie getrocknet ist, wird sie auf eine PEM heißgepreßt, um die Anode auf die PEM zu transferieren. Alternativ wird eine Suspension auf die Oberflächen von Gasdiffusionsschichten (unten beschrieben) appliziert, die dem festen Elektrolyten 130 zugewandt sind, und die Suspension wird dann getrocknet. Das Verfahren zur Herstellung der Schicht 150 kann des Weiteren die Verwendung von Druck und Temperatur zum Erzielen des Anhaftens beinhalten.

Zurückkommend auf Fig. 3) sollte das Elektrolyt 130 es ermöglichen, dass Ionen durch es hindurchfließen, während es dem Elektronenfluss einen wesentlichen Widerstand bietet. In einigen Ausgestaltungen ist das Elektrolyt 130 ein festes Polymer (z. B. eine feste Polymer-Ionen-Austauschmembran) wie beispielsweise eine feste Polymer-Protonen-Austausch-Membran (z. B. ein festes Polymer, das Sulfosäuregruppen enthält). Derartige Membranen sind kommerziell von E. I. DuPont de Nemours Company (Wilmington, DE) unter der Marke NAFION erhältlich. Alternativ kann das Elektrolyt 130 auch aus dem kommerziellen Produkt GORE- SELECT erhältlich von W. L. Gore & Associates (Elkton, MD) hergestellt werden. Die Kathoden-Katalysatorschicht 140 kann aus einem Material gebildet werden, das geeignet ist, mit Sauerstoff, Elektronen und Protonen zur Bildung von Wasser zusammenzuwirken. Beispiele für solche Materialien beinhalten zum Beispiel, Platin, Platinlegierungen und Edelmetalle, die in Ruß dispergiert sind. Die Kathoden- Katalysatorschicht 140 kann, wie vorhergehend in Bezug auf die Anoden- Katalysatorschicht 150 beschrieben, präpariert werden.

Die Gasdiffusionsschichten 160 und 170 sind elektrisch leitfähig, so dass die Elektronen von der Katalysatorschicht 150 zu der Strömungsfeldplatte 120 und von der Strömungsfeldplatte 110 zu der Kathoden Katalysatorschicht 140 fließen können. Die GDLs können aus einem Material gebildet werden, dass sowohl Gas- als auch flüssigkeitspermeabel ist. Es kann auch wünschenswert sein, die GDLs mit einer planarmachenden Schicht zu versehen, wie diese aus dem Stand der Technik bekannt ist, zum Beispiel durch Infusion eines porösen Stoffes oder Papiers aus Kohlenstoff mit einem Rußschlamm, gefolgt durch Sintern mit einem Polytetrafluorethylenmaterial. Geeignete GDLs sind von verschiedenen Firmen, wie beispielsweise Etek in Natick, MA und Zoltek in St. Louis, MO, erhältlich.

Fig. 4 zeigt eine Kathoden-Strömungsfeldplatte 110 mit einem Einlass 210, einem Auslass 220 und seitlich offenen Kanälen 230, die einen Strömungsweg für ein Kathodengas von dem Einlass 210 zu dem Auslass 220 definieren. Ein Kathodengas strömt von der Kathodengaseinlassleitung 70 und tritt in die Strömungsfeldplatte 110 über den Einlass 210 zu der Kathodenauslassleitung 80 ein. Das Kathodengas strömt dann entlang der Kanäle 230 und verlässt die Strömungsfeldplatte 110 über den Auslass 220. Während das Kathodengas entlang der Kanäle 230 strömt, kann der in dem Kathodengas enthaltene Sauerstoff die Gasdiffusionsschicht 160 durchdringen und mit der Katalysatorschicht 140 in Wechselwirkung treten. Die an der Schicht 140 vorliegenden Elektronen und Protonen reagieren mit dem Sauerstoff zur Bildung von Wasser.

Das Wasser kann durch die Diffusionsschicht 160 zurückgelangen, in den Kathodengasstrom in den Kanälen 230 eintreten und die Platte 110 durch den Kathoden-Strömungsfeldplattenauslass 220 verlassen.

Fig. 5 zeigt eine Anoden-Strömungsfeldplatte 120 mit einem Einlass 240, einem Auslass 250 und seitlich offenen Kanälen 260, die einen Strömungsweg für ein Anodengas von dem Einlass 240 zu dem Auslass 250 definieren. Das Anodengas strömt von der Anodengas-Einlassleitung 50 und tritt in die Strömungsfeldplatte 120 über den Einlass 240 ein. Das Anodengas strömt dann entlang den Kanälen 260 und verlässt die Strömungsfeldplatte 120 über den Auslass 250 zu der Anodenauslassleitung 60. Während das Anodengas entlang den Kanälen 260 strömt, kann der in dem Anodengas enthaltene Wasserstoff die Gasdiffusionsschicht 170 durchdringen und mit der Katalysatorschicht 150 zur Bildung von Protonen und Elektronen in Wechselwirkung treten. Die Protonen durchwandern das feste Elektrolyt 130, und die Elektronen werden durch die Gasdiffusionsschicht 170 zur Anoden- Strömungsfeldplatte 120 geleitet, um schließlich durch einen äußeren Verbraucher zu der Kathoden-Strömungsfeldplatte 110 zu fließen.

Die während der Brennstoffzellenreaktion erzeugte Wärme wird von der Brennstoffzelle 35 entfernt, indem ein Kühlmittel durch die Brennstoffzelle 35 über eine Kühlmittel-Strömungsfeldplatte fließt. Fig. 6 zeigt eine Kühlmittel- Strömungsfeldplatte 300 mit einem Einlass 310, einem Auslass 320 und seitlich offenen Kanälen 330, die einen Strömungsweg für das Kühlmittel von dem Einlass 310 zu dem Auslass 320 definieren. Das Kühlmittel tritt in die Brennstoffzelle 35 von der Kühlmitteleinlassleitung 90 über den Einlass 310 ein, strömt entlang der Kanäle 330 und absorbiert Wärme und verlässt die Brennstoffzelle 35 über den Auslass 320 zur Kühlmittelauslassleitung 100.

Brennstoffzellen 35 werden in einem Brennstoffzellenstapel 30 so angeordnet, dass die Einlässe 240 so konfiguriert sind, dass sie mit der Anodengaseinlassleitung 50 in Fluidkommunikation sind und die und Auslässe 250 sind so konfiguriert, dass sie mit der Anodengasauslassleitung 60 in Fluidkommunikation sind. Auf ähnliche Art und Weise sind die Einlässe 210 so konfiguriert, dass sie mit der Kathodengaseinlassleitung 70 in Fluidkommunikation sind; und die Auslässe 220 sind so konfiguriert, dass sie mit der Kathodengasauslassleitung 80 in Fluidkommunikation sind. Auf ähnliche Art und Weise sind die Einlässe 310 so konfiguriert, dass sie mit der Kühlmitteleinlassleitung 90 in Fluidkommunikation sind; und die Auslässe 320 sind so konfiguriert, dass sie mit der Kathodengasauslassleitung 100 in Fluidkommunikation sind.

Während bestimmte Ausführungen beschrieben wurden, sind andere Ausführungen mit umfasst. Beispielsweise kann in einigen Ausführungen die vorhergehend beschriebene Anodenstruktur in Brennstoffzellensystemen verwendet werden, die andere als di-Wasserstoff, beispielsweise Methanol-Brennstoffzellengase verwenden.

Verfahren zum Herstellen von Membran-Elektroden-Anordnungen und Membran- Elektroden-Einheiten sind bekannt und beispielsweise im US Patent 5,211,984 beschrieben, auf welches hiermit Bezug genommen wird.

Andere Ausgestaltungen finden sich in den Ansprüchen.

Claims

1. Eine Struktur, aufweisend:
einen Katalysator;
ein nicht-elektrolytisches Material, das sich von dem Katalysator unterscheidet,
wobei der Katalysator und das nicht-elektrolytische Material eine Brennstoffzellenelektrode bilden.

2. Struktur nach Anspruch 1, wobei der Katalysator geeignet ist, die Oxidation eines Brennstoffzellengases zu katalysieren.

3. Struktur nach Anspruch 2, wobei das Brennstoffzellengas Wasserstoff aufweist.

4. Struktur nach Anspruch 1, wobei der Katalysator geeignet ist, einer reversiblen Oxidbildung zu unterliegen.

5. Struktur nach Anspruch 1, wobei der Katalysator aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Platin, Ruthenium, Iridium, Rhodium, Palladium, Molybdän und deren Legierungen besteht.

6. Struktur nach Anspruch 1, wobei die Struktur zwischen ca. 5% bis ca. 40% des Katalysator aufweist.

7. Struktur nach Anspruch 1, wobei die Struktur weniger als ca. 30 Gewichts- Prozent nicht-elektrolytisches Material aufweist.

8. Struktur nach Anspruch 1, wobei das nicht-elektrolytische Material ein Fluorenthaltendes Harz aufweist.

9. Struktur nach Anspruch 1, wobei das nicht-elektrolytische Material ein Co- Polymer von Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen aufweist.

10. Struktur nach Anspruch 1, wobei das nicht-elektrolytische Material Polytetrafluorethylen aufweist.

11. Struktur nach Anspruch 1, weiter aufweisend: ein erstes Material, das gegen Oxidation bis ca. 3,0 Volt gegenüber SHE resistent ist.

12. Struktur nach Anspruch 11, wobei der Katalysator auf dem ersten Material verteilt ist.

13. Struktur nach Anspruch 11, wobei der Katalysator auf dem erstem Material mit einem Anteil zwischen ca. 5% und ca. 25% verteilt ist.

14. Struktur nach Anspruch 11, wobei das erste Material ein Oxid aufweist.

15. Struktur nach Anspruch 11, wobei das erste Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Wolfram-Oxid, Zirkon-Oxid, Niob-Oxid und Tantal- Oxid besteht.

16. Eine Struktur, aufweisend:
einen Katalysator; und
ein erstes Material, das gegen Oxidation bis ca. 3,0 Volt gegenüber SHE resistent ist,
wobei der Katalysator und das erste Material eine Brennstoffzellenelektrode bilden.

17. Struktur nach Anspruch 16, wobei der Katalysator auf dem ersten Material verteilt ist.

18. Struktur nach Anspruch 16, wobei der Katalysator auf dem ersten Material mit einem Anteil zwischen ca. 5% und ca. 95% verteilt ist.

19. Struktur nach Anspruch 16, wobei das erste Material ein Oxid aufweist.

20. Struktur nach Anspruch 16, wobei das erste Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Wolfram-Oxid, Zirkon-Oxid, Niob-Oxid und Tantal- Oxid besteht.

21. Eine Struktur, aufweisend:
einen Katalysator, der geeignet ist, die Oxidation eines Brennstoffzellengases zu katalysieren;
ein erstes Material, das gegen Oxidation bis zu ca. 3,0 Volt gegenüber SHE resistent ist; und
ein nicht-elektrolytisches Material,
wobei der Katalysator, das erste Material und das nicht-elektrolytische Material eine Brennstoffzellenelektrode bilden.

22. Struktur nach Anspruch 21, wobei der Katalysator Platin aufweist.

23. Struktur nach Anspruch 21, wobei das erste Material ein Oxid aufweist.

24. Struktur nach Anspruch 21, wobei das nicht-elektrolytische Material Polytetrafluorethylen aufweist.