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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft allgemein eine MEA für eine Brennstoffzelle, die
eine Mehrschichtkatalysatorkonfiguration zur Verringerung des Wasserstoff- und/oder
Sauerstoffpartialdrucks an der Zellenmembran aufweist, und insbesondere
eine MEA für
eine Brennstoffzelle, die mehrere Katalysatorschichten an der Anodenseite
und/oder Kathodenseite der Zellenmembran aufweist, was den Wasserstoff-
und Sauerstoffpartialdruck an der Membran verringert, um so einen
Membranabbau zu vermindern.
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2. Beschreibung der verwandten
Technik
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Wasserstoff
ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet
werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle
zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische
Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt
dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die
Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird
in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen.
Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Protonen
reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode,
um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht
durch den Elektro lyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in
der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen
(PEMFC) stellen eine populäre
Brennstoffzelle für Fahrzeuge
dar. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran, wie
eine Perfluorsulfonsäuremembran.
Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische
Partikel, gewöhnlich
Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem
Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten
Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen
Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran
definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
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Typischerweise
werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel
kombiniert, um die gewünschte
Leistung zu erzeugen. Für
den oben erwähnten
Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel kann der Stapel zweihundert
oder mehr Brennstoffzellen umfassen. Der Brennstoffzellenstapel
nimmt ein Kathodenreaktandengas, typischerweise eine Strömung aus
Luft auf, die durch den Stapel über
einen Kompressor getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff
von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas
ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann.
Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffreaktandengas
auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
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Der
Brennstoffzellenstapel umfasst eine Serie von Bipolarplatten, die
zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind,
wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert
sind. Die Bipolarplatten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite
für benachbarte
Brennstoffzellen in dem Stapel. An der Anodenseite der Bipolarplatten
sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen,
die ermöglichen,
dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann.
An der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die
ermöglichen,
dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann.
Eine Endplatte umfasst Anodengasströmungskanäle, und die andere Endplatte
umfasst Kathodengasströmungskanäle. Die
Bipolarplatten und die Endplatten bestehen aus einem leitenden Material,
wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit. Die Endplatten
leiten die durch die Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem
Stapel heraus. Die Bipolarplatten enthalten auch Strömungskanäle, durch
die ein Kühlfluid strömt.
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Wasserstoff
dringt durch die Membran von der Anodenseite zu der Kathodenseite
und Sauerstoff dringt durch die Membran von der Kathodenseite zu
der Anodenseite der Brennstoffzellen in dem Stapel, was oftmals
als Wasserstoffübertritt
bzw. Sauerstoffübertritt
bezeichnet ist. Die gleichzeitige Anwesenheit von Wasserstoff, Sauerstoff
und Katalysator (typischerweise Pt oder Pt/Übergangsmetall-Legierungen)
führt zu
einem chemischen Abbau des ionenleitenden Polymers in der Membran
und in den Elektroden. Einer der vorgeschlagenen Mechanismen zur
Erklärung
dieses Phänomens
besteht darin, dass Wasserstoff und Sauerstoff reagieren können, um
Wasserstoffperoxid zu erzeugen. Das Wasserstoffperoxid reagiert
heftig mit Eisen-(III)- und/oder Eisen-(II)-Ionen, die als Unreinheiten
in den Brennstoffzellenkomponenten vorhanden sind oder durch Korrosion
der Bipolarplatten erzeugt werden. Die Reaktion von Wasserstoffperoxid
und Eisen-(II)-Ionen erzeugt freie Hydroxylradikale, die die Membran
infolge der Fenton-Reaktion, die unten gezeigt ist, abbauen. H2O2 +
Fe2+ → Fe3+ + HO– + HO* (1) RH + OH* → R*
+ H2O (2) R* + Fe3+ → R+ + Fe2+ (3)
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Der
Abbau der Membran erzeugt hauptsächlich
Fluorwasserstoff in der Brennstoffzelle, was hier als eine Fluoridfreisetzrate
von der Membran bezeichnet ist. Der Fluorwasserstoff korrodiert
die Bipolarplatten aus rostfreiem Stahl, was mehr Eisen-(III)- und
Eisen-(II)-Ionen erzeugt, wodurch die Produktion der freien Hydroxylradikale
erhöht
und somit der Abbau der Membran weiter gesteigert wird. Dieser Prozess
wird somit autokatalytisch, und infolge der Reaktion erfolgt ein
signifikanter Abbau sowohl der Membran als auch der Bipolarplatte.
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Es
ist entdeckt worden, dass eine Verringerung des Partialdrucks von
Wasserstoff auf der Anodenseite der Brennstoffzelle und/oder eine
Verringerung des Sauerstoffpartialdrucks auf der Kathodenseite der
Brennstoffzelle die Fluoridfreisetzrate verringert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung ist eine MEA für eine Brennstoffzelle offenbart, die
mehrere Katalysatorschichten verwendet, um den Wasserstoff- und/oder
Sauerstoffpartialdruck an der Membran zu reduzieren, um damit die
Fluoridfreisetzrate von der Membran zu reduzieren und einen Membranabbau
zu reduzieren. An der Anodenseite der MEA ist eine anodenseitige
Mehrschichtkatalysatorkonfiguration vorgesehen. Die anodenseitige Mehrschichtkonfiguration
umfasst eine anodenseitige Unterschicht, die an der Membran positioniert
ist und einen Katalysator aufweist, eine anodenseitige Mittelschicht,
die an der anodenseitigen Unterschicht positioniert ist und keinen
Katalysator aufweist, und eine anodenseitige Katalysatorschicht,
die an der anodenseitigen Mittelschicht entgegengesetzt der anodenseitigen
Unterschicht positioniert ist und einen Katalysator aufweist, wobei
die Menge an Katalysator in der anodenseitigen Katalysatorschicht
größer als
die Menge an Katalysator in der anodenseitigen Unterschicht ist.
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Die
Kathodenseite der MEA kann ebenfalls eine kathodenseitige Mehrschichtkatalysatorkonfiguration
mit einer kathodenseitigen Unterschicht, die an der Membran positioniert
ist und einen Katalysator aufweist, einer kathodenseitigen Mittelschicht,
die an der kathodenseitigen Unterschicht positioniert ist und keinen
Katalysator aufweist, und eine kathodenseitige Katalysatorschicht
aufweisen, die an der kathodenseitigen Mittelschicht entgegengesetzt
der kathodenseitigen Unterschicht positioniert ist und einen Katalysator
aufweist, wobei die Menge an Katalysator in der kathodenseitigen
Katalysatorschicht größer als
die Menge an Katalysator in der kathodenseitigen Unterschicht ist.
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Zusätzliche
Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
und den angefügten
Ansprüchen
in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Draufsicht einer MEA für
eine Brennstoffzelle, die eine Membran sowie mehrere Katalysatorschichten
auf sowohl der Anodenseite als auch der Kathodenseite der Membran
aufweist, wobei die Katalysatorschichten den Wasserstoff- und Sauerstoffpartialdruck
an der Membran reduzieren, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Draufsicht einer MEA für
eine Brennstoffzelle, die eine Membran und mehrere Katalysatorschichten
an der Anodenseite der Membran aufweist, wobei die Katalysatorschichten
den Wasserstoffpartialdruck an der Membran reduzieren, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
eine Draufsicht einer MEA für
eine Brennstoffzelle, die eine Membran und mehrere Katalysatorschichten
an der Kathodenseite der Membran aufweist, wobei die Katalysatorschichten
den Sauerstoffpartialdruck an der Membran reduzieren, gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 ist
ein Schaubild mit der Position der Katalysatorschichten an der Anodenseite
der in 1 gezeigten MEA an der horizontalen Achse und dem
Partialdruck von Wasserstoff an der vertikalen Achse; und
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5 ist
ein Schaubild mit der Position der Katalysatorschichten an der Kathodenseite
der in 1 gezeigten MEA an der horizontalen Achse und dem
Partialdruck von Sauerstoff an der vertikalen Achse.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende Diskussion der Ausführungsformen
der Erfindung, die auf eine MEA für eine Brennstoffzelle gerichtet
ist, die mehrere Katalysatorschichten an einer oder beiden der Anodenseite
und der Kathodenseite der Membran aufweist, um einen Wasserstoff-
und/oder Sauerstoffpartial druck an der Membran zu reduzieren, ist
lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung,
ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
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1 ist
eine Draufsicht einer MEA 10 mit einer protonenleitenden
Membran, wie einer Perfluorsulfonsäuremembran 12, wie
die kommerziell erhältliche
Nafion®-Membran.
Die MEA 10 ist Teil einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle
des oben beschriebenen Typs und kann Teil eines Brennstoffzellenstapels
in einem Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug sein. Gemäß der Erfindung
umfasst die MEA 10 eine Anodenseite 14 mit einer
Katalysatorschicht 16, einer Mittelschicht 18 und
einer Unterschicht 20. Ähnlicherweise
umfasst eine Kathodenseite 22 der MEA 10 eine
Katalysatorschicht 24, eine Mittelschicht 26 und
eine Unterschicht 28.
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Herkömmliche
MEAs umfassen typischerweise eine einzelne Katalysatorschicht an
sowohl der Anodenseite als auch der Kathodenseite mit etwa 0,02
bis 0,4 mg eines aktiven Wasserstoffelektrooxidationskatalysators
pro cm2 MEA an der Anodenseite (typischerweise
Platin, Platinmetalle oder Legierungen daraus) und etwa 0,05 bis
0,6 mg eines aktiven Sauerstoffelektroreduktionskatalysators pro
cm2 an der Kathodenseite (typischerweise
Platin, Platinmetalle, Legierungen daraus oder Platinmetall-Übergangsmetall-Legierungen).
Bei dieser Konstruktion betragen der Partialdruck des Wasserstoffs
an der Schnittstelle zwischen Katalysatorschicht und Membran auf
der Anodenseite und der Partialdruck des Sauerstoffs an der Schnittstelle
zwischen Katalysatorschicht und Membran auf der Kathodenseite nahezu
100%.
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Gemäß der Erfindung
wird an der Anodenseite 14 und der Kathodenseite 22 der
Membran 12 eine gewünschte
Katalysatorbeladung aufrecht erhal ten, während der Partialdruck des
Wasserstoffs an der Schnittstelle der Unterschicht 20 und
der Membran 12 und der Partialdruck von Sauerstoff an der
Schnittstelle der Unterschicht 28 und der Membran 12 signifikant
reduziert werden. Insbesondere umfassen die Katalysatorschichten 16 und 24 eine
signifikante Katalysatorbeladung, die Mittelschichten 18 und 26 umfassen
keinen Katalysator, und die Unterschichten 20 und 28 umfassen
eine minimale Menge an Katalysatorbeladung. Bei einem nicht beschränkenden
Beispiel liegt die Katalysatorbeladung der Katalysatorschichten 16 und 24 im
Bereich von 0,01 bis 0,40 mg Platin pro cm2,
und die Katalysatorbeladung der Unterschichten 20 und 28 liegt
im Bereich von 0,005 bis 0,20 mg Platin pro cm2.
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Die
Mittelschichten 18 und 26 können eine nicht poröse oder
gering poröse
Schicht oder Mischung aus Ionomer und Kohlenstoff oder einem beliebigen
anderen geeigneten Material sein, das Protonen und Elektronen leitet,
wobei angestrebt wird, dass die Wasserstoff- und Sauerstoffpermeabilität dieser
Schichten im Vergleich zu den Anoden- und Kathodenkatalysatorschichten 16 und 24 niedrig
ist. Der Kohlenstoff kann der kommerziell erhältliche Ketjen, Vulcan, Black
Pearls oder beliebige andere Ruße mit
großer
Oberfläche
sein, wie in der Technik bekannt ist. Alternativ dazu kann eine
beliebige andere Kombination von elektronenleitendem Material und protonenleitendem
Material verwendet werden.
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Die
kathodenseitige Unterschicht 20 und die anodenseitige Unterschicht 28 können Ruß und sulfonsäurebasierte
Ionomere aufweisen und Ionomer/Kohlenstoff-Gewichtsverhältnisse
von 2/1 bis 6/1 und eine Gesamtdicke im Bereich von 1 bis 10 Mikrometer
besitzen.
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Die
Schichten 16–20 und 24–28 können eine beliebige,
für die
hier beschriebenen Zwecke geeignete Dicke besitzen. Bei einer nicht
beschrän kenden Ausführungsform
sind die Katalysatorschichten 16 und 24 etwa 6 μm dick, die
Mittelschichten 18 und 26 sind etwa 5 μm dick und
die Unterschichten 20 und 28 sind etwa 3 μm dick. Die
Gesamtdicke der Katalysatorschichten 16 und 24,
der Mittelschichten 18 und 26 und der Unterschichten 20 und 28 ist
in etwa gleich groß,
wie die einzelne Katalysatorschicht bei den bekannten MEAs.
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Infolge
der geringen Wasserstoffpermeabilität der Mittelschicht 18 an
der Anodenseite und der geringen Sauerstoffpermeabilität der Mittelschicht 26 an
der Kathodenseite können
eine signifikante Reduktion einer Wasserstoffpermeation in die Membran 12 durch
kleine Mengen an Wasserstoffelektrooxidationskatalysator in der
Anodenunterschicht 20 erreicht werden sowie eine signifikante
Reduktion einer Sauerstoffpermeation in die Membran 12 durch
kleine Mengen an Sauerstoffelektroreduktionskatalysator in der Kathodenunterschicht 28 erreicht
werden. Daher ist aufgrund der geringen Wasserstoff- und Sauerstoffpermeabilität der Mittelschicht 18 an
der Anodenmittelschicht 18 bzw. der Mittelschicht 26 in der
Kathodenseite die Menge an Katalysator in den Unterschichten 20 und 28 gegenüber demjenigen
signifikant und reduziert, was bisher für eine Konfiguration vorgeschlagen
wurde, die nicht die Mittelschichten 18 und 26 mit
geringer Gaspermeabilität
aufweist. Auf diese Weise kann die Gesamtkatalysatorbeladung der
Anode in der Elektrode 16 und der Unterschicht 20 wie
auch der Kathode in der Elektrode 24 und der Unterschicht 28 durch
die Einführung
der katalysatorfreien Mittelschichten 18 und 26 wesentlich reduziert
werden, wodurch MEA-Kosten reduziert werden.
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Das
Anodenwasserstoffreaktandengas von den Anodenströmungskanälen (nicht gezeigt) in der Brennstoffzelle
breitet sich durch eine Diffusionsmediumschicht (nicht gezeigt)
an die Katalysatorschicht 16 aus. Der Wasserstoff wird
in der Katalysatorschicht 16 oxidiert und erzeugt Protonen
und Elektronen, wobei sich die Protonen durch die Mittelschicht 18,
die Unterschicht 20 und die Membran 12 ausbreiten
und die Elektronen durch eine externe Schaltung (nicht gezeigt)
an die Kathodenseite 22 gelangen. Derjenige Wasserstoff,
der in der Katalysatorschicht 16 keiner Reaktion unterzogen
wurde, breitet sich durch die Mittelschicht 18 mit geringer
Wasserstoffpermeabilität,
an der sein Partialdruck reduziert wird, wenn er über die
nicht poröse
Mittelschicht 18 mit geringer Wasserstoffpermeabilität gelangt,
an die nicht poröse
Unterschicht 20 aus, an der er weitere Gelegenheit erhält, in Protonen
und Elektronen umgewandelt werden zu können. Der Wasserstoff, der
die Membran 12 erreicht, ist minimal, und somit ist der Partialdruck
von Wasserstoff an der Membranschnittstelle signifikant reduziert.
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Protonen
breiten sich durch die Membran 12 aus. Die Protonen reagieren
mit Sauerstoff in der Luft und den Elektronen, die durch die externe
Schaltung gelangen, um Wasser zu erzeugen. Luft wird von Kathodenreaktandengasströmungskanälen (nicht
gezeigt) durch eine Diffusionsmediumschicht (nicht gezeigt) an die
Katalysatorschicht 24 geliefert, an der der größte Teil
der Reaktion stattfindet, die Wasser erzeugt. Der Sauerstoff, der
in der Katalysatorschicht 24 keiner Reaktion unterzogen
wurde, breitet sich durch die Mittelschicht 26 mit geringer
Sauerstoffpermeabilität,
an der sein Partialdruck reduziert wird, wenn er über die
nicht poröse
Mittelschicht 26 mit geringer Sauerstoffpermeabilität gelangt,
an die nicht poröse
Unterschicht 20 aus, an der er weitere Gelegenheit erhält, mit
Protonen und Elektronen zu reagieren, um Wasser zu erzeugen. Der
Sauerstoff, der die Membran 12 erreicht, ist minimal, und
somit ist der Partialdruck von Sauerstoff an der Membranschnittstelle
signifikant reduziert.
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Obwohl
bei der oben beschriebenen Ausführungsform
sowohl die Anodenseite 14 als auch die Kathodenseite 22 die
drei Schichten besitzen, kann es erwünscht sein, eine Konfiguration
mit drei Katalysatorschichten nur an entweder der Anodenseite 14 oder
der Kathodenseite 22 zu verwenden, um Systemkosten zu reduzieren. 2 ist
eine Draufsicht einer MEA 30, an der nur die Anodenseite 14 eine Katalysatormehrschichtkonfiguration
aufweist. Auf der Kathodenseite 22 sind die Mittelschicht 26 und die
Unterschicht 28 weggelassen worden, wobei die Katalysatorschicht 24 an
der Membran 12 positioniert ist. Wie oben beschrieben ist,
ist die Menge an Wasserstoff an der Schnittstelle zwischen der Unterschicht 20 und
der Membran 12 signifikant reduziert, was einen Membranabbau
signifikant reduziert. Daher besteht keine Notwendigkeit, an der
Kathodenseite 22 der MEA 30 die Katalysatormehrschichtkonfiguration
bereitzustellen, um die gewünschte
Lebensdauer der Brennstoffzelle zu erhalten.
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3 ist
eine Draufsicht einer MEA 32, die eine Katalysatormehrschichtkonfiguration
auf der Kathodenseite 22 aufweist, wie oben beschrieben
ist. Bei dieser Ausführungsform
sind die Mittelschicht 18 und die Unterschicht 20 von
der Anodenseite 14 weggelassen worden, und die Katalysatorschicht 16 ist benachbart
der Membran 12 positioniert. Da der Partialdruck von Sauerstoff
an der Schnittstelle zwischen der Membran 12 und der Unterschicht 28 signifikant reduziert
ist, wodurch der Membranabbau reduziert ist, besteht keine Notwendigkeit,
die Katalysatormehrschichtkonfiguration auf der Anodenseite vorzusehen,
um Lebensdauerziele der MEA zu erfüllen.
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Durch
Bereitstellung von Katalysatormehrfachschichten nur auf der Anodenseite 22 kann
der Partialdruck von Wasserstoff um nahezu 82% an der anodenseitigen
Unterschicht/Membran-Schnittstelle verringert werden. 4 ist
ein Schaubild, bei dem die Katalysatorschicht 16 (bei diesem
Beispiel mit einer Beladung von 0,05 mgPt/cm2), die Mittelschicht 18 und die
Unterschicht 20 (bei diesem Beispiel mit einer Beladung
von 0,01 mg mgPt/cm2)
als Abschnitte 40, 42 bzw. 44 dargestellt
sind, und wobei die Linie 46 die Schnittstelle zwischen
der Unterschicht 20 und der Membran 12 repräsentiert.
Der Partialdruck von Wasserstoff ist an der vertikalen Achse gezeigt.
Wie durch dieses Schaubild gezeigt ist, ist bei einer Stapelstromdichte
von 20 mA/cm2 und einer Unterschicht mit
einer Katalysatorbeladung von 0,01 mg Platin pro cm2 der
Partialdruck von Wasserstoff an der Schnittstelle des Katalysatorschichtabschnittes 40 und
des Mittelschichtabschnittes 42 geringfügig kleiner als 100%, und der
Partialdruck von Wasserstoff an der Schnittstelle des Unterschichtabschnittes 44 und
der Membran 12 ist kleiner als 20%, wodurch eine Abnahme
des Partialdrucks von etwa 82% bereitgestellt wird. Beim Stand der
Technik ohne die Verwendung einer Mittelschicht ist der Wasserstoffpartialdruck
an der Membran 12 lediglich um 26% reduziert (verglichen
mit 82%), was bei einer Reduzierung eines chemischen Abbaus weniger
wirksam ist. Die überlegene
Leistungsfähigkeit
der neu vorgeschlagenen Mittelschicht ist auf deren geringe Wasserstoffpermeabilität zurückzuführen, die
den Wasserstofffluss zu der Unterschicht 20 senkt, wodurch die
Gesamtmenge an Wasserstoffoxidationskatalysator, die für die Unterschicht 20 erforderlich
ist, im Vergleich zu dem Stand der Technik reduziert ist. Wenn die
Stromdichte des Brennstoffzellenstapels zunimmt, nimmt der Partialdruck
an der Schnittstelle der anodenseitigen Unterschicht 20 und
der Membran 12 weiter ab.
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Durch
Bereitstellung von Mehrfachschichten nur auf der Kathodenseite 22 kann
der Partialdruck von Sauerstoff um etwa 97% an der kathodenseitigen Unterschicht/Membran-Schnittstelle
verringert werden. 5 ist ein Schaubild, bei dem
die Katalysatorschicht 24 (bei diesem Beispiel mit einer
Beladung von 0,20 mgPt/cm2),
die Mittelschicht 26 und die Unterschicht 28 (bei
diesem Beispiel mit einer Beladung von 0,02 mgPt/cm2) als Abschnitte 50, 52 bzw. 54 dargestellt
sind, und wobei die Linie 56 die Schnittstelle zwischen
der Unterschicht 28 und der Membran 12 repräsentiert.
Der Partialdruck von Sauerstoff ist an der vertikalen Achse gezeigt.
Wie durch dieses Schaubild gezeigt ist, ist bei einer Stapelstromdichte von
20 mA/cm2 und einer Unterschicht mit einer
Katalysatorbeladung von 0,02 mg Platin pro cm2 der Partialdruck
von Sauerstoff an der Schnittstelle zwischen dem Katalysatorschichtabschnitt 50 und
dem Mittelschichtabschnitt 52 geringfügig kleiner als 100%, und der
Partialdruck von Sauerstoff an der Schnittstelle des Unterschichtabschnittes 54 und
der Membran 12 ist kleiner als 3%, wodurch eine Abnahme
des Partialdrucks von etwa 97% bereitgestellt wird. Beim Stand der
Technik ohne die Verwendung einer Mittelschicht ist der Sauerstoffpartialdruck
an der Membran 12 lediglich um 73% reduziert (verglichen
mit 97%), was bei einer Reduzierung eines chemischen Abbaus weniger
wirksam ist. Die überlegene
Leistungsfähigkeit
der neu vorgeschlagenen Mittelschicht ist auf deren geringe Sauerstoffpermeabilität zurückzuführen, die
den Sauerstofffluss zu der Unterschicht 28 senkt, wodurch
die Gesamtmenge an Sauerstoffreduktionskatalysator, die für die Unterschicht 28 erforderlich
ist, im Vergleich zu dem Stand der Technik reduziert ist. Wenn die
Stromdichte des Brennstoffzellenstapels zunimmt, nimmt der Partialdruck
an der Schnittstelle der anodenseitigen Unterschicht 20 und
der Membran 12 weiter ab.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
die Verwendung einer Mittelschicht aus Ionomer und Kohlenstoffkomposit
vor, die nicht porös
ist, um den Wasserstoff- und/oder Sauerstoffpartialdruck auf ein
Niveau zu verringern, das geringer als nur mit einer Unterschicht
bei einer bestimmten Zielplatinbeladung ist. Dies resultiert in
einer erhöhten
Lebensdauer durch die Reduzierung der Fluidfreisetzrate. Katalysatorbeladungen
und Katalysatorkosten nehmen infolge der Verwendung von Mittelschichten
mit geringer Gaspermeabilität
zwischen den beiden Katalysatorschichten im Ver gleich zu der Konfiguration
ohne eine Mittelschicht nach dem Stand der Technik ab.
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Die
vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte
Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen
Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen,
Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken
und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert
ist, durchgeführt
werden können.