DE102008040644A1

DE102008040644A1 - Electrode element for fuel cell system, has catalyst arranged such that density of catalyst in area is larger than density of catalyst in another area, where former area and latter area are arranged adjacent to each other

Info

Publication number: DE102008040644A1
Application number: DE102008040644A
Authority: DE
Inventors: Florian Wahl; Sebastian Maass
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2010-01-28

Abstract

The element (10) has a set of large surfaces arranged parallel to a flow field plate (40) in an assembled condition. An area of one of the large surfaces faces a flow channel of the flow field plate, and another area of the large surface faces a bar of the flow field plate. A catalyst is arranged such that density of the catalyst in the former area is larger than density of the catalyst in the latter area. The former area and the latter area are arranged adjacent to each other on the large surface.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrodenelement für eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei in einem eingebauten Zustand wenigstens eine von zwei Großflächen des Elektrodenelementes im Wesentlichen parallel zu einer Strömungsfeldplatte anordbar ist, ein erster Bereich der Großfläche wenigstens einem Strömungskanal der Strömungsfeldplatte gegenübersteht, ein zweiter Bereich der Großfläche wenigstens einem Steg der Strömungsfeldplatte gegenübersteht, das Elektrodenelement mit einem Katalysator versehen ist.The The present invention relates to an electrode element for a fuel cell according to the generic term of claim 1, wherein in an installed state at least one of two large areas of the Electrode element substantially parallel to a flow field plate can be arranged, a first area of the large area at least one flow channel the flow field plate faces, a second area of the large area at least a bridge of the flow field plate faces, the electrode element is provided with a catalyst.

Stand der TechnikState of the art

Bekannte Brennstoffzellen dienen zur Umwandlung von Wasserstoff in nutzbare elektrische Energie. Um diese elektrochemische Reaktion durchzuführen, weist die Brennstoffzelle zwei Elektroden auf, denen zwei Reaktanden, wie etwa Wasserstoff und Sauerstoff werden. Der an einer Elektrode – der Anode – zugeführte Wasserstoff spaltet sich unter Abgabe von Elektronen in H⁺-Ionen auf. Während die Elektronen über einen externen Stromkreislauf zur Energiegewinnung genutzt werden können, diffundieren die Protonen durch ein Membranelement zur zweiten Elektrode – der Kathode. An der Kathode kann im Anschluss eine Reaktion der Protonen mit Sauerstoff geschehen, so dass als Ergebnis Wasser entsteht. Die beiden Elektroden bilden mit dem Membranelement eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA – Membrane Elektrode Assembly). Eine Strömungsfeldplatte dient dazu, die Reaktanden über eine aktive Fläche der Elektrode zu verteilen und dabei für eine mechanische Stabilität zu sorgen. Um dieses zu ermöglichen, weisen bekannte Strömungsfeldplatten Strömungskanäle auf. Zwischen der Membran-Elektroden-Einheit und der Strömungsfeldplatte ist je eine Gasdiffusionsschicht aufgebaut. Diese Gasdiffusionsschicht hat die Funktion, die Brennstoffe – auch als Reaktanden bezeichnet – Wasserstoff oder Sauerstoff gleichmäßig über die gesamte Fläche der Elektroden zu verteilen und die Reaktionsprodukte Strom, Wärme und Wasser von den Elektroden abzuführen.Known fuel cells are used to convert hydrogen into usable electrical energy. In order to perform this electrochemical reaction, the fuel cell has two electrodes which become two reactants, such as hydrogen and oxygen. The hydrogen supplied to an electrode - the anode - splits into H ⁺ ions with the release of electrons. While the electrons can be used to generate energy via an external power circuit, the protons diffuse through a membrane element to the second electrode - the cathode. Subsequently, a reaction of the protons with oxygen can take place at the cathode, so that water is produced as a result. The two electrodes form with the membrane element a membrane-electrode unit (MEA - membrane electrode assembly). A flow field plate serves to distribute the reactants over an active area of the electrode while providing mechanical stability. To enable this, known flow field plates have flow channels. Between the membrane-electrode unit and the flow field plate is ever a gas diffusion layer constructed. This gas diffusion layer has the function of distributing the fuels - also referred to as reactants - evenly over the entire surface of the electrodes hydrogen or oxygen and to dissipate the reaction products of electricity, heat and water from the electrodes.

Bei bekannten Brennstoffzellen hat es sich herausgestellt, dass die Stege der Strömungsfeldplatte bereichsweise die Gasdiffusionsschicht auf das Elektrodenelement drücken. In diesem Bereich kommt es aufgrund der Kompression der Gasdiffusionsschicht zu einer schlechteren Versorgung des Elektrodenelementes mit den Reaktanden. Zudem ist der Abtransport von Reaktionsprodukten der elektrochemischen Reaktion erschwert.at known fuel cells, it has been found that the Webs of the flow field plate partially the gas diffusion layer on the electrode element to press. This area is due to the compression of the gas diffusion layer to a worse supply of the electrode element with the Reactants. In addition, the removal of reaction products of electrochemical reaction difficult.

Aufgabe und Vorteile der ErfindungPurpose and advantages of the invention

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile überwindet, insbesondere eine effektive Nutzung des Katalysators ermöglicht.task the present invention is to provide a fuel cell which overcomes the above-mentioned disadvantages, in particular an effective one Use of the catalyst allows.

Diese Aufgabe wird durch ein Elektrodenelement für eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruches 1 in vorteilhafter Weise gelöst. Darüber hinaus wird die Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruches 11 in vorteilhafter Weise gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Vorrichtungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Elektrodenelement beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.These Task is by an electrode element for a fuel cell with solved the features of claim 1 in an advantageous manner. Furthermore The object is achieved by a fuel cell system with at least a fuel cell with the features of claim 11 in an advantageous Way solved. Further advantageous embodiments the present devices will become apparent from the respective dependent claims. characteristics and details associated with the inventive electrode element are of course also applicable in context with the fuel cell system according to the invention and vice versa. It can those in the claims and mentioned in the description Features individually for each itself or in any combination essential to the invention.

Bei dem erfindungsgemäßen Elektrodenelement ist vorgesehen, dass eine Dichte des Katalysators in dem ersten Bereich größer ist als die Dichte des Katalysators in dem zweiten Bereich.at the electrode element according to the invention it is envisaged that a density of the catalyst in the first Area is larger as the density of the catalyst in the second region.

Der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Elektrodenelementes liegt darin, dass die Verteilung des Katalysators auf der Großfläche angepasst ist an die Ausgestaltung der Strömungsfeldplatte. Der erste Bereich des Elektrodenelementes zeichnet sich dadurch aus, dass dieser einem Strömungskanal ausgesetzt ist. Brennstoff durch den Strömungskanal fließt, kann ungehindert in die Gasdiffusionsschicht eindringen und in den ersten Bereich des Elektrodenelementes mit dem Katalysator gelangen. Dabei entstehendes Produktwasser wird durch die Gasdiffusionsschicht problemlos abgeleitet bzw. kann zurück in den Strömungskanal gelangen. Der zweite Bereich der Großfläche des Elektrodenelementes ist einem Steg der Strömungsfeldplatte ausgesetzt. Dieser Steg begrenzt einen Strömungskanal. Darüber hinaus liegt der Steg auf der Gasdiffusionsschicht auf und drückt diese gegen das Elektrodenelement. Folglich kann der Brennstoff nicht so frei in die Gasdiffusionsschicht einströmen. Aus diesem Grunde ist die Dichte des Katalysators in diesem zweiten Bereich reduziert. Dadurch entsteht im zweiten Bereich nur so viel Produktwasser, wie auch abfließen kann. Besonders vorteilhaft bei der beschriebenen Ausgestaltung des Elektrodenelementes ist die Ersparnis an Katalysator. Der Anteil der Stege an der Gesamtfläche des Elektrodenelementes beträgt in der Regel zwischen 30% und 50%. So kann bis zu 50% der Katalysatormenge durch eine entsprechende erfindungsgemäße Ausgestaltung des Elektrodenelementes gespart werden.The basic idea of the electrode element according to the invention is that the distribution of the catalyst on the large area is adapted to the configuration of the flow field plate. The first region of the electrode element is characterized in that it is exposed to a flow channel. Fuel flows through the flow channel, can freely penetrate into the gas diffusion layer and get into the first region of the electrode element with the catalyst. Resulting product water is easily discharged through the gas diffusion layer or can get back into the flow channel. The second area of the large area of the electrode element is exposed to a web of the flow field plate. This bridge limits a flow channel. In addition, the web rests on the gas diffusion layer and presses it against the electrode element. Consequently, the fuel can not flow freely into the gas diffusion layer. For this reason, the density of the catalyst is reduced in this second range. This results in the second area only as much product water, as can drain. Particularly advantageous in the described embodiment of the electrode element is the saving of catalyst. The proportion of the webs in the total area of the electrode element is usually between 30% and 50%. Thus, up to 50% of the amount of catalyst by a corresponding inventive design of the Elektrodenele be saved.

Auf den beiden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit werden Gasdiffusionsschichten (gas diffusion layer, GDL) angebracht. Die Gasdiffusionsschichten bestehen gewöhnlich aus Kohlefaserpapier oder Kohlefasergewebe und ermöglichen einen guten Zugang der Reaktionsgase zu den Reaktionsschichten und eine gute Ableitung des Zellenstroms und des sich bildenden Wassers. Die Reaktanden, wie beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff, und das Reaktionsprodukt Wasser strömen durch den Strömungskanal der Strömungsfeldplatte. Die Reaktanden dienen vorrangig der elektrochemischen Erzeugung einer elektrischen Energie. Da es sich bei dieser elektrochemischen Reaktion um eine exotherme Reaktion handelt, werden die Fluide gleichzeitig zur Abführung von überschüssiger Reaktionswärme genutzt. Als vorteilhaft hat es sich deshalb herausgestellt, wenn die Strömungskanäle auf der Außenfläche der Strömungsfeldplatte eine meanderförmige Struktur aufweisen. In dieser Anordnung bedecken die Strömungskanäle einen großen Anteil der Fläche der Strömungsfeldplatte. Weitere mögliche Strukturen der Strömungskanäle sind: parallel: multi-parallel, unterbrochen und/oder diskontinuierlich.On the two sides of the membrane-electrode assembly become gas diffusion layers (gas diffusion layer, GDL) attached. The gas diffusion layers usually exist made of carbon fiber paper or carbon fiber fabric and allow good access of the reaction gases to the reaction layers and a good derivative of the cell current and the forming water. The reactants, such as hydrogen and oxygen, and the Reaction product water flow through the flow channel the flow field plate. The reactants serve primarily the electrochemical generation an electrical energy. Because this electrochemical Reaction is an exothermic reaction, the fluids are the same time removal used by excess heat of reaction. It has therefore proven to be advantageous if the flow channels on the Outer surface of the Flow field plate a meandering structure exhibit. In this arrangement, the flow channels cover a large proportion the area of Flow field plate. Other possible Structures of the flow channels are: parallel: multi-parallel, interrupted and / or discontinuous.

Als Großfläche des Elektrodenelementes wird jene Außenfläche bezeichnet, welche im eingebauten Zustand im Wesentlichen parallel zu der Strömungsfeldplatte angeordnet ist. Dabei weist eine der wenigstens zwei Großflächen auf die Strömungsfeldplatte hin, während die zweite Großfläche im Wesentlichen in Richtung des Membranelementes ausgerichtet ist. Das Elektrodenelement und die Strömungsfeldplatte stehen im Wesentlichen parallel zueinander, was bedeutet, dass die Ebenen, welche durch das Elektrodenelement bzw. die Strömungsfeldplatte aufgespannt werden, sich nicht oder nur unter einem Winkel von weniger als 10° schneiden. Der Begriff der Dichte bezeichnet im Rahmen des Patents eine Menge des Katalysators, die mit dem eingenommenen Volumen im Verhältnis gesetzt ist. Wie im Folgenden noch dargelegt wird, kann die Dichte des Katalysators innerhalb der räumlichen Tiefe des Elektrodenelementes variieren.When Large area of the Electrode element is referred to that outer surface, which in the built-in Condition arranged substantially parallel to the flow field plate is. In this case, one of the at least two large surfaces on the flow field plate out while the second large area in essence is aligned in the direction of the membrane element. The electrode element and the flow field plate are essentially parallel to each other, which means that the Planes, which by the electrode element or the flow field plate be spanned, not or only at an angle of less cut as 10 °. Of the Density term refers to a quantity of the patent within the scope of the patent Catalyst, which is relative to the occupied volume is. As will be explained below, the density of the catalyst can within the spatial depth of the electrode element vary.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der erste und der zweite Bereich angrenzend zueinander auf der Großfläche des Elektrodenelementes angeordnet sind. Diese Ausführungsvariante ermöglicht eine besonders einfache Aufbringung des Katalysators auf der Großfläche. So kann beispielsweise der zweite Bereich der Großfläche mittels einer Maske abgedeckt werden. Im Anschluss daran erfolgt ein Aufdampfen oder Sputtern des Katalysators auf den ersten Bereich des Elektrodenelementes. Es gibt folglich keine Übergangsbereiche zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich. Die geometrische Anordnung der beiden Bereiche zueinander ist abhängig von der Anordnung des wenigstens einen Steges und des wenigstens einen Strömungskanals auf der Strömungsfeldplatte.In an advantageous embodiment it is envisaged that the first and the second area are adjacent to each other on the large surface of the Electrode element are arranged. This embodiment allows a particularly simple application of the catalyst on the large area. So can For example, the second area of the large area covered by a mask become. This is followed by vapor deposition or sputtering of the Catalyst on the first region of the electrode element. It There are therefore no transitional areas between the first and the second area. The geometric arrangement the two areas to each other is dependent on the arrangement of at least a web and the at least one flow channel on the flow field plate.

Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn das Elektrodenelement ein kohlenstoffgeträgertes Platin (Pt/C) aufweist. Dabei wird Platin auf Kohlenstoffpartikel aufgebracht, welche im Anschluss per Siebdruck oder Sputtern auf die Membran aufgebracht werden. Diese Variante zeichnet sich folglich dadurch aus, dass die Dichte des Katalysators innerhalb des ersten Bereichs und/oder des zweiten Bereichs über eine Tiefe des Elektrodenelementes konstant ist.When Advantageously, it has been found, when the electrode element a carbon-supported one Platinum (Pt / C) has. This is platinum on carbon particles applied, which subsequently by screen printing or sputtering on the membrane are applied. This variant is therefore evident characterized in that the density of the catalyst within the first Area and / or the second area over a depth of the electrode element is constant.

In einer alternativen Ausführungsvariante ändert sich die Dichte des Katalysators innerhalb des ersten Bereichs und/oder des zweiten Bereichs über eine Tiefe des Elektrodenelementes stetig. Eine effiziente Variante zeichnet sich dadurch aus, dass die Dichte des Katalysators auf jener Großfläche besonders hoch ist, die in Richtung der Strömungsfeldplatte ausgerichtet ist. Die Dichte des Katalysators nimmt dann in Richtung auf das Membranelement hin ab. Weiterhin ist es möglich, dass der Verlauf der Dichte innerhalb der Tiefe des Elektrodenelementes einer mathematischen Funktion folgt. So kann etwa der Dichteverlauf einem parabelförmigen Verlauf ähneln. Die Dichtevariation kann dabei durch ein mehrschichtiges Drucken z. B. des Pt/C erzeugt werden.In an alternative embodiment changes the density of the catalyst within the first range and / or of the second area via a Depth of the electrode element continuous. An efficient variant draws characterized by the fact that the density of the catalyst on that large area especially is high, which is aligned in the direction of the flow field plate is. The density of the catalyst then increases towards that Membrane element down. Furthermore, it is possible that the course of Density within the depth of the electrode element of a mathematical Function follows. For example, the density gradient may resemble a parabolic course. The Density variation can be achieved by a multilayer printing z. B. of Pt / C are generated.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Dichte des Katalysators in dem ersten Bereich größer ist als die Dichte des Katalysators in dem zweiten Bereich. In einer ersten vorteilhaften Ausführungsvariante kann sich die Dichte des Katalysators bei einem Übergang von dem ersten Bereich in den zweiten Bereich sprunghaft ändern. So hat es sich als vorteilhaft erwiesen, als Katalysator ein Edelmetall wie Platin ( insbesondere Pt/C) zu verwenden, was mit einer Belegung zwischen 0,8 und 0,2 mg/cm² aufgebracht wird. Im zweiten Bereich beträgt die Konzentration des Katalysators nur zwischen 10 und 50%, besonders bevorzugt zwischen 20 und 30% des im ersten Bereich vorgesehen Katalysators. Dadurch kann ein nicht unbeachtlicher Teil der verwendeten Katalysatormenge gegenüber den bekannten Elektrodenelementen gespart werden. Eine besondere Ausführungsform dieser Variante des Elektrodenelementes zeichnet sich dadurch aus, dass das Elektrodenelement nur in dem ersten Bereich mit einem Katalysator versehen ist. Bei dieser Variante wird kein Katalysator in den zweiten Bereich aufgebracht. Damit kann in dem zweiten Bereich keine elektrochemische Reaktion stattfinden, da diese einen Katalysator benötigt. Diese Variante hat sich dort als vorteilhaft erwiesen, wo die einzelnen Elemente der Brennstoffzelle mit einer sehr großen Kraft zusammengepresst werden. Denn in diesem Fall drückt der Steg die Gasdiffusionsschicht derart auf das Elektrodenelement, dass kaum noch Freiräume bestehen, in die der Brennstoff bzw. das Produktwasser fließen kann. Da somit eine elektrochemische Reaktion selbst bei vorhandenem Katalysator sehr unwahrscheinlich ist, können die Kosten für den Katalysator gespart werden.According to the invention, it is provided that the density of the catalyst in the first region is greater than the density of the catalyst in the second region. In a first advantageous embodiment, the density of the catalyst may change abruptly during a transition from the first region to the second region. Thus, it has proved to be advantageous to use as catalyst a noble metal such as platinum (in particular Pt / C), which is applied with an occupancy of between 0.8 and 0.2 mg / cm ² . In the second range, the concentration of the catalyst is only between 10 and 50%, more preferably between 20 and 30% of the catalyst provided in the first region. As a result, a not inconsiderable part of the amount of catalyst used compared to the known electrode elements can be saved. A particular embodiment of this variant of the electrode element is characterized in that the electrode element is provided with a catalyst only in the first region. In this variant, no catalyst is applied in the second region. Thus, no electrochemical reaction can take place in the second region, since this requires a catalyst. This variant has proved to be advantageous where the individual elements of the fuel cell are pressed together with a very large force. Because in this case, the web presses the gas diffusion layer on the Electrode element that there are hardly any spaces in which the fuel or the product water can flow. Thus, since an electrochemical reaction is very unlikely even with the catalyst present, the cost of the catalyst can be saved.

Eine alternative Ausführungsvariante zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Dichte des Katalysators bei einem Übergang von dem ersten Bereich in den zweiten Bereich stetig ändert. Durch den stetigen Verlauf ist jederzeit eine genügende Menge an Katalysator für den Brennstoff vorhanden, auch wenn dieser innerhalb der Gasdiffusionsschicht vom ersten in den zweiten Bereich überfließt. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Dichteänderung des Katalysators innerhalb des zweiten Bereichs einer mathematischen Funktion folgt. Insbesondere ein quadratischer oder kubischer Verlauf des Katalysators beim Übergang von dem ersten in den zweiten Bereich hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Diese Verläufe entsprechen ungefähr der Konzentrationsabnahme des Brennstoffes beim Übergang aus dem ersten Bereich in den zweiten Bereich in Abhängigkeit von dem Anpressdruck, mit dem die Stege gegen das Elektrodenelement gedrückt werden.A alternative embodiment is characterized by the fact that the density of the catalyst at a transition from the first area to the second area is constantly changing. By the steady course is always a sufficient amount of catalyst for the Fuel is present, even if this is within the gas diffusion layer from the first to the second area overflows. As a particularly advantageous it turned out, when the density change of the catalyst within of the second area of a mathematical function. Especially a square or cubic course of the catalyst at the transition from the first to the second area has proved to be particularly beneficial proved. These courses are about the same Concentration decrease of the fuel at the transition from the first area in the second area depending from the contact pressure with which the webs against the electrode element depressed become.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Elektrodenelementes zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Dichte des Katalysators in dem ersten Bereich und/oder in dem zweiten Bereich in einem Verlauf des Strömungskanals stetig ändert. Zusätzlich zu dem erfindungsgemäß vorgesehenen Unterschied in der Dichte des Katalysators in dem ersten und dem zweiten Bereich, ändert sich bei dieser Ausführungsvariante zusätzlich die Dichte des Katalysators in dem ersten und/oder zweiten Bereich in Abhängigkeit von der Distanz, welche der Brennstoff nach dem Eintritt in die Brennstoffzelle zurückgelegt hat. Als Verlauf des Strömungskanals soll die Entfernung, die der Brennstoff nach dem Auftreffen auf die Strömungsfeldplatte zurückgelegt hat, verstanden werden. Nachdem der Brennstoff in die Brennstoffzelle eingetreten ist, findet eine stetige Reaktion des Brennstoffes mit dem Katalysator bzw. dem zweiten Brennstoff der Brennstoffzelle statt. Dadurch sinkt die Konzentration des Brennstoffes innerhalb des Strömungskanals, je weiter sich der Brennstoff von dem Einlassbereich entfernt hat. Um dem Rechnung zu tragen, kann die Dichte des Katalysators in einem oder in beiden Bereichen reduziert werden. Dadurch ist eine weitere Einsparung des kostspieligen Katalysators möglich.A further advantageous embodiment of the electrode element according to the invention is characterized by the fact that the density of the catalyst in the first area and / or in the second area in a course of the flow channel constantly changing. additionally to the inventively provided Difference in the density of the catalyst in the first and the second area, changes in this embodiment additionally the density of the catalyst in the first and / or second region dependent on the distance, which the fuel after entering the Fuel cell covered Has. As a course of the flow channel The distance which fuel should have after impacting should the flow field plate traveled has to be understood. After the fuel into the fuel cell occurred, finds a steady reaction of the fuel the catalyst or the second fuel of the fuel cell instead of. This reduces the concentration of the fuel within the flow channel, the further the fuel has moved away from the inlet area. To take this into account, the density of the catalyst in one or reduced in both areas. This is another Saving the expensive catalyst possible.

Um den Katalysator aufzubringen, kann dabei vorteilhafterweise eine der folgenden Verfahren genutzt werden: Puls Plating, Aufdampfen, chemische oder physikalische Abscheideprozesse oder Kathodenzerstäubung. Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn wenigstens eines der folgenden Verfahren durchgeführt wird: ECM (Electro chemical machining), EDM (Electrical discharge machining), ECDM, Verfahren der Galvanoformung, chemische oder physikalische Abscheideprozesse, CVD (Chemical vapor deposition), PVD (Physical vapor deposition), CFD, LIGA-Prozesse oder Ätzverfahren.Around Applying the catalyst can advantageously a the following methods are used: pulse plating, vapor deposition, chemical or physical deposition or sputtering. Farther It has proved to be advantageous if at least one of following procedures is: ECM (Electro chemical machining), EDM (Electrical discharge machining), ECDM, electroforming, chemical or physical processes Separation processes, CVD (Chemical Vapor Deposition), PVD (Physical vapor deposition), CFD, LIGA processes or etching processes.

Ausführungsbeispieleembodiments

Weitere Vorteile, Merkmale oder Einzelheiten der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen erläutert werden, beschrieben. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:Further Advantages, features or details of the invention are in the following Description in which reference to the drawings several embodiments of the invention explained in detail will be described. It can those in the claims and mentioned in the description Features individually for each itself or in any combination essential to the invention. It demonstrate:

1 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, 1 a fuel cell system according to the invention,

2 ein erfindungsgemäßes Elektrodenelement und eine Strömungsfeldplatte, 2 an electrode element according to the invention and a flow field plate,

3 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch die Strömungsfeldplatte und das Elektrodenelement, 3 a schematic representation of a section through the flow field plate and the electrode element,

4 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Dichteverteilung eines Katalysators in einer ersten Ausführungsvariante und 4 a diagram illustrating the density distribution of a catalyst in a first embodiment and

5 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Dichteverteilung des Katalysators in einer zweiten Ausführungsvariante. 5 a diagram illustrating the density distribution of the catalyst in a second embodiment.

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt, welches hier zwei Brennstoffzellen 110 aufweist. Diese Brennstoffzellen 110 sind angrenzend zueinander in einem Gehäuse 120 angeordnet sind. Jede der Brennstoffzellen 110 weist zwei Elektrodenelemente 10 auf. Durch eine Beaufschlagung der Elektrodenelemente 10 mit zwei unterschiedlichen Brennstoffen – die auch als Reaktanden bezeichnet werden – wird durch eine elektrochemische Reaktion ein elektrischer. Strom erzeugt. Da die Brennstoffzelle 110 chemische Energie auf direktem Weg in elektrische Energie umwandelt, ist diese im Gegensatz zu einem Verbrennungsprozess nicht dem maximal theoretischen Wirkungsgrad eines Camot-Prozesses unterworfen. Die beiden Reaktanden werden häufig in Form verschiedener Fluide bereitgestellt. Ein Beispiel für die zwei korrespondierenden Elektrodenreaktionen sind die folgenden: H₂ => 2H⁺ + 2e^– (Anodenreaktion) 2H⁺ + 2e^– + ½O₂ => H₂O (Kathodenreaktion). In 1 is a fuel cell system 100 represented, which here two fuel cells 110 having. These fuel cells 110 are adjacent to each other in a housing 120 are arranged. Each of the fuel cells 110 has two electrode elements 10 on. By acting on the electrode elements 10 with two different fuels - which are also referred to as reactants - becomes an electric by an electrochemical reaction. Electricity generated. Because the fuel cell 110 By converting chemical energy directly into electrical energy, unlike a combustion process, it is not subject to the maximum theoretical efficiency of a Camot process. The two reactants are often provided in the form of various fluids. An example of the two corresponding electrode reactions are the following: H ₂ => 2H ⁺ + 2e ^- (anode reaction) 2H ⁺ + 2e ^- + ½O ₂ => H ₂ O (cathode reaction).

Der gewonnene elektrische Strom kamt in einem Lastelement verbraucht werden. Der Reaktand Sauerstoff kann in Form von Umgebungsluft der Brennstoffzelle zugeführt werden. Durch die serielle Verknüpfung der verschiedenen Brennstoffzellen 110 mittels eines Leitungselementes ist es möglich eine hohe Spannung zu erreichen, welche dem Lastelement, wie etwa einem Elektromotor zur Verfügung gestellt werden kann. Um eine gleichmäßige Verteilung der Reaktanden auf den Elektrodenelementen 10 zu erreichen, weist die Brennstoffzelle 110 eine Strömungsfeldplatte 40 auf.The recovered electric power can be consumed in a load element. The reactant oxygen can be supplied in the form of ambient air of the fuel cell. By the serial connection of the different fuel cells 110 By means of a conduit element, it is possible to achieve a high voltage, which can be provided to the load element, such as an electric motor. For a uniform distribution of the reactants on the electrode elements 10 to reach, the fuel cell points 110 a flow field plate 40 on.

In 2 ist eine Strömungsfeldplatte 40 dargestellt. Die Strömungsfeldplatte 40 dient dazu, die Reaktanden über die aktive Fläche des Elektrodenelementes 10 zu verteilen und dabei für eine mechanische Stabilität zu sorgen. Um dieses zu ermöglichen, weist die Strömungsfeldplatte 40 in der dargestellten Ausführungsvariante zwei Strömungskanäle 42, 42' auf. Die beiden Strömungskanäle 42, 42' verlaufen etwa mäanderförmig über eine Außenfläche 41 der Strömungsfeldplatte 40. Der Reaktand wird in den Strömungskanal 42, 42' eingeleitet, was auch die Bewegungspfeile 44 verdeutlichen sollen. Der durch den Strömungskanal 42, 42' fließende Reaktand soll anschließend elektrochemisch mit einem Katalysator 60 reagieren und so Elektronen und Ionen erzeugen, damit die Brennstoffzelle 110 einen Strom generieren kann. Die Menge an Reaktand, welche in die Strömungskanäle 42, 42' eingebracht werden, sind im Allgemeinen größer als der elektrochemisch umgesetzte Teil. Somit strömen aus den Strömungskanälen 42, 42' noch Teile des Reaktanden aus, was durch die beiden Pfeile 45 verdeutlicht werden soll. Der ausfließende Reaktand dient gleichzeitig zur Kühlung der durch die exotherme Reaktion aufgeheizten Strömungsfeldplatte 40.In 2 is a flow field plate 40 shown. The flow field plate 40 serves to reactants over the active area of the electrode element 10 to distribute and thereby to provide mechanical stability. To enable this, the flow field plate points 40 in the illustrated embodiment, two flow channels 42 . 42 ' on. The two flow channels 42 . 42 ' run approximately meandering over an outer surface 41 the flow field plate 40 , The reactant gets into the flow channel 42 . 42 ' initiated, which is also the movement arrows 44 to clarify. The through the flow channel 42 . 42 ' flowing reactant should then be electrochemically catalyzed 60 react and thus generate electrons and ions to allow the fuel cell 110 can generate a current. The amount of reactant entering the flow channels 42 . 42 ' are generally larger than the electrochemically reacted part. Thus flow out of the flow channels 42 . 42 ' still parts of the reactant made, which by the two arrows 45 should be clarified. The effluent reactant also serves to cool the heated by the exothermic reaction flow field plate 40 ,

Neben der Strömungsfeldplatte 40 ist in 2 auch ein Elektrodenelement 10 dargestellt. Die schematische Darstellung zeigt eine Großfläche 11 des Elektrodenelementes 10. Bei bekannten Elektrodenelementen ist diese Großfläche 11 vollständig mit einem Katalysator 60 versehen, der eine gleichbleibende Dichte auf der gesamten Großfläche 11 aufweist. Wie oben dargelegt, hat sich dieses als nachteilig herausgestellt. Deshalb ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Großfläche 11 zwei Bereiche aufweist. Diese beiden Bereiche 50, 55 sind vorgegeben durch die Struktur der Strömungskanäle 42, 42' bzw. des Stegs 43 der Strömungsfeldplatte 40. Wie die 1 verdeutlicht sind in einem eingebauten Zustand in der Brennstoffzeile 110 die Strömungsfeldplatte 40 und das Elektrodenelement 10 im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Zum besseren Verständnis der erfindungsgemäßen Anordnung der beiden Bereiche 50, 55 sind in der 2 das Elektrodenelement 10 und die Strömungsfeldplatte derart angeordnet, wie sie zum Liegen kämen, wenn man diese aus der Brennstoffzelle 110 entnehmen und voneinander wegklappen würde. Der erste Bereich 50 der Großfläche 11 ist derart ausgestaltet, dass dieser in dem eingebauten Zustand gegenüber dem wenigstens einen Strömungskanal 42, 42' zum Liegen kommt. Im Gegensatz dazu ist der zweite Bereich 55 der Großfläche 11 derart angeordnet, dass dieser in einem eingebauten Zustand gegenüber wenigstens einem Steg 43 der Strömungsfeldplatte 40 zum Liegen kommt. Folglich stimmen im eingebauten Zustand die geometrischen Anordnungen des ersten Bereichs 50 und des Strömungskanals 42, 42' bzw. des zweiten Bereichs 55 und des Stegs 43 überein. Zur Lösung der oben genannten Aufgabe ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Dichte des Katalysators 60 in dem ersten Bereich 50 größer ist als die Dichte des Katalysators 60 in dem zweiten Bereich 55.Next to the flow field plate 40 is in 2 also an electrode element 10 shown. The schematic diagram shows a large area 11 of the electrode element 10 , In known electrode elements, this large area 11 completely with a catalyst 60 provided a consistent density over the entire large area 11 having. As stated above, this has proved to be disadvantageous. Therefore, it is provided according to the invention that the large area 11 has two areas. These two areas 50 . 55 are given by the structure of the flow channels 42 . 42 ' or the bridge 43 the flow field plate 40 , As the 1 are clarified in a built-in state in the fuel line 110 the flow field plate 40 and the electrode element 10 arranged substantially parallel to each other. For a better understanding of the inventive arrangement of the two areas 50 . 55 are in the 2 the electrode element 10 and the flow field plate arranged as they would come to rest, if you take them from the fuel cell 110 remove and fold away from each other. The first area 50 the large area 11 is configured such that in the installed state against the at least one flow channel 42 . 42 ' comes to rest. In contrast, the second area 55 the large area 11 arranged such that this in an installed state against at least one web 43 the flow field plate 40 comes to rest. Consequently, in the installed state, the geometric arrangements of the first area agree 50 and the flow channel 42 . 42 ' or the second area 55 and the jetty 43 match. To achieve the above object, it is inventively provided that a density of the catalyst 60 in the first area 50 greater than the density of the catalyst 60 in the second area 55 ,

Als Katalysator 60 sind insbesondere Metalle der 8. Nebengruppe verwendbar. Vorzugsweise weist der Katalysator 60 wenigstens einen der folgenden Stoffe auf Platin, Palladium beschichtete Aluminium-Körper, Eisen, Nickel, Kobalt, Ruthenium, Cereisen, Raney-Nickel, Platin, Rhodium, Palladium, Vanadiumpentoxid oder Samariumoxid. Der Katalysator 60 sorgt für eine Aufspaltung des Reaktanden in das Elektron und das Ion. Das Elektron fließt über die Strömungsfeldplatte 40 und das Leitungselement in die Last. Im Gegensatz dazu, wird das Ion durch ein Membranelement 70 zu dem zweiten Elektrodenelement der Brennstoffzelle geleitet. Das Membranelement 30 ist elektrisch isolierend, so dass das Elektron nicht durch das Membranelement 30 hindurch treten kann.As a catalyst 60 In particular, metals of the 8th subgroup can be used. Preferably, the catalyst 60 at least one of the following materials on platinum, palladium coated aluminum bodies, iron, nickel, cobalt, ruthenium, cerium iron, Raney nickel, platinum, rhodium, palladium, vanadium pentoxide or samarium oxide. The catalyst 60 ensures a splitting of the reactant into the electron and the ion. The electron flows over the flow field plate 40 and the conduit element in the load. In contrast, the ion becomes a membrane element 70 directed to the second electrode element of the fuel cell. The membrane element 30 is electrically insulating so that the electron does not pass through the membrane element 30 can pass through.

Diese Anordnung der verschiedenen Bereiche 50, 55 verdeutlich auch die 3. Diese zeigt das Elektrodenelement 10 und die Strömungsfeldplatte 40 in einem eingebauten Zustand. Entlang der Schnittlinie I-I aus 2 wurde ein Schnitt durch die beiden Elemente der Brennstoffzelle 110 durchgeführt. Wie zu erkennen ist, befindet sich in einem eingebauten Zustand zwischen dem Elektrodenelement und der Strömungsfeldplatte 40 eine Gasdiffusionsschicht 70. Diese Gasdiffusionsschicht 70 dient zum Transport des Brennstoffes aus dem Strömungskanal 42 an das Elektrodenelement 10. Es handelt sich dabei häufig um graphitisiertes Papier, welches mittels Teflon hydrophobisiert wird, um einen Abtransport von Reaktionswasser zu ermöglichen. Durch den Steg 43 wird die Gasdiffusionsschicht 70 auf das Elektrodenelement aufgepresst. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist nur in dem ersten Bereich 50 ein Katalysator in das Elektrodenelement eingebracht. Der zweite Bereich 55 der Großfläche 11 des Elektrodenelementes 10, der dem Steg 43 der Strömungsfeldplatte 40 gegenübersteht weist hingegen keinen Katalysator 60 auf. Zwischen dem ersten Bereich 50 und dem zweiten Bereich 55 ändert sich die Dichte des Katalysators 60 somit sprunghaft.This arrangement of the different areas 50 . 55 also clarifies the 3 , This shows the electrode element 10 and the flow field plate 40 in a built-in state. Along the section line II off 2 became a cut through the two elements of the fuel cell 110 carried out. As can be seen, is in an installed state between the electrode element and the flow field plate 40 a gas diffusion layer 70 , This gas diffusion layer 70 serves to transport the fuel from the flow channel 42 to the electrode element 10 , These are often graphitized paper, which is hydrophobized by means of Teflon in order to allow removal of water of reaction. Through the jetty 43 becomes the gas diffusion layer 70 pressed onto the electrode element. In the illustrated embodiment, only in the first area 50 a catalyst is introduced into the electrode element. The second area 55 the large area 11 of the electrode element 10 , the footbridge 43 the flow field plate 40 contrast, however, has no catalyst 60 on. Between the first area 50 and the second area 55 it changes Density of the catalyst 60 thus leaps and bounds.

Das in 3 dargestellte Elektrodenelement weist einen Katalysator 60 auf, der über eine Tiefe 15 eine konstante Dichte aufweist. in einer alternativen Ausführungsvariante ist es möglich, dass sich die Dichte des Katalysators 60 innerhalb des ersten Bereichs 50 und/oder des zweiten Bereichs 55 über die Tiefe 15 des Elektrodenelementes 10 stetig ändert. So kann es vorteilhaft sein, wenn sich die Dichte des Katalysators 60 über die Tiefe 15 des Elektrodenelementes 10 in Richtung auf das Membranelement 30 bin stetig ändert. Insbesondere aufgrund der Reaktionsdynamik hat es sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Dichte des Katalysatorelementes 60 von seiner ersten Großfläche 11 auf das Membranelement 30 hin abnimmt.This in 3 shown electrode element has a catalyst 60 up, over a depth 15 has a constant density. In an alternative embodiment, it is possible that the density of the catalyst 60 within the first range 50 and / or the second area 55 over the depth 15 of the electrode element 10 constantly changing. So it may be advantageous if the density of the catalyst 60 over the depth 15 of the electrode element 10 in the direction of the membrane element 30 am constantly changing. In particular, due to the reaction dynamics, it has proven to be particularly advantageous if the density of the catalyst element 60 from his first large area 11 on the membrane element 30 decreases.

In der 4 ist ein Diagramm aufgezeichnet, welches die Verteilung der Dichte des Katalysators 60 auf dem Elektrodenelement 10 verdeutlichen soll. Aufgetragen ist die Dichte D des Katalysators 60 als Funktion der Länge L des Elektrodenelementes 10. Oberhalb des Diagramms ist zur Verdeutlichung eine Strömungsfeldplatte 40 dargestellt. Sie dient dazu, die Position der Strömungskanäle 42 und des Stegs 43 zu verdeutlichen. Wie zu erkennen ist, weist der Katalysator 60 eine Dichte 62 im Bereich der Stege 43 auf. Im Gegensatz dazu, ist im Bereich der Strömungskanäle 42 der Katalysator 60 mit einer Dichte 61 auf das bzw. in das Elektrodenelement 10 eingebracht. Der erste Bereich 50 sowie der zweite Bereich 55 der Großfläche 11 des Elektrodenelementes 10 grenzen in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aneinander an. Somit ändert sich die Dichte 61, 62 des Katalysators 60 bei einem Übergang von dem ersten Bereich 50 in den zweiten Bereich 55 sprunghaft, analog zu dem Ausführungsbeispiel, welches in 3 dargestellt ist.In the 4 a diagram is recorded showing the distribution of the density of the catalyst 60 on the electrode element 10 should clarify. Plotted is the density D of the catalyst 60 as a function of the length L of the electrode element 10 , Above the diagram is a flow field plate for clarity 40 shown. It serves to determine the position of the flow channels 42 and the jetty 43 to clarify. As can be seen, the catalyst 60 a density 62 in the area of the bridges 43 on. In contrast, is in the area of the flow channels 42 the catalyst 60 with a density 61 on the or in the electrode element 10 brought in. The first area 50 as well as the second area 55 the large area 11 of the electrode element 10 border each other in the illustrated embodiment. Thus, the density changes 61 . 62 of the catalyst 60 at a transition from the first area 50 in the second area 55 erratic, analogous to the embodiment, which in 3 is shown.

In 5 ist ein weiteres Diagramm gezeigt, in welchem die Dichte als Funktion der Länge des Elektrodenelementes 10 dargestellt ist. Auch hier sind sowohl Dichte als auch Länge in willkürlichen Einheiten ([a. u.]) dargestellt. Wie zu erkennen ist, ist die Dichte 61' im Bereich der Strömungskanäle 42 größer als die Dichte 62' im Bereich der Stege 43. Allerdings ist der Übergang zwischen dem ersten Bereich 50 und dem zweiten Bereich 55 nicht sprunghaft. Vielmehr nimmt die Dichte des Katalysators 60 beim Übergang aus dem ersten Bereich 50 stetig ab, um ein Minimum innerhalb des zweiten Bereichs 55 zu erreichen. In einer alternativen Ausführungsvariante kann die Abnahme der Dichte D auch schon innerhalb des ersten Bereiches 50, welcher dem Strömungskanal 42 gegenübersteht, beginnen. Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Abnahme der Dichte D beim Übergang zwischen dem ersten Bereich 50 und dem zweiten Bereich 55 sich stetig ändert, insbesondere die Abnahme einem quadratischen oder kubischen Verlauf angeglichen ist.In 5 another diagram is shown in which the density as a function of the length of the electrode element 10 is shown. Again, both density and length are represented in arbitrary units ([au]). As you can see, the density is 61 ' in the area of the flow channels 42 greater than the density 62 ' in the area of the bridges 43 , However, the transition is between the first area 50 and the second area 55 not leaps and bounds. Rather, the density of the catalyst decreases 60 at the transition from the first area 50 steadily decreasing to a minimum within the second range 55 to reach. In an alternative embodiment, the decrease in the density D even within the first range 50 which is the flow channel 42 is facing, begin. It has proved to be advantageous if the decrease in the density D at the transition between the first region 50 and the second area 55 is constantly changing, in particular the decrease is equalized a square or cubic course.

Claims

Electrode element ( 10 ) for a fuel cell ( 110 ), wherein in an installed state at least one of two large areas ( 11 . 11 ' ) of the electrode element ( 10 ) substantially parallel to a flow field plate ( 40 ), a first area ( 50 ) of the large area ( 11 . 11 ' ) at least one flow channel ( 42 . 42 ' ) of the flow field plate ( 40 ), a second area ( 55 ) of the large area ( 11 . 11 ' ) at least one bridge ( 43 ) of the flow field plate ( 40 ), the electrode element ( 10 ) with a catalyst ( 60 ), characterized in that a density ( 61 . 61 ' ) of the catalyst ( 60 ) in the first area ( 50 ) is greater than the density ( 62 . 62 ' ) of the catalyst ( 60 ) in the second area ( 55 ).

Electrode element ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the first area ( 50 ) and the second area ( 55 ) adjacent to each other on the large area ( 11 . 11 ' ) are arranged.

Electrode element ( 10 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the density ( 61 . 61 ' . 62 . 62 ' ) of the catalyst ( 60 ) within the first range ( 50 ) and / or the second area ( 55 ) over a depth ( 15 ) of the electrode element ( 10 ) is constant.

Electrode element ( 10 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the density ( 61 . 61 ' . 62 . 62 ' ) of the catalyst ( 60 ) within the first area ( 50 ) and / or the second area ( 55 ) over a depth ( 15 ) of the electrode element ( 10 ) is constantly changing.

Electrode element ( 10 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that the density ( 61 . 61 ' . 62 . 62 ' ) of the catalyst ( 60 ) at a transition from the first area ( 50 ) into the second area ( 55 ) changes abruptly.

Electrode element ( 10 ) according to claim 5, characterized in that the electrode element ( 10 ) only in the first area ( 50 ) with a catalyst ( 60 ) is provided.

Electrode element ( 10 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the density ( 61 . 61 ' . 62 . 62 ' ) of the catalyst ( 60 ) at a transition from the first area ( 50 ) into the second area ( 55 ) changes constantly.

Electrode element ( 10 ) after one of the above herhafte claims, characterized in that the density ( 61 . 61 ' . 62 . 62 ' ) of the catalyst ( 60 ) in the first area ( 50 ) and / or in the second area ( 55 ) in a course of the flow channel ( 42 . 42 ' ) changes constantly.

Electrode element ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one flow channel ( 42 . 42 ' ) on the flow field plate ( 40 ) has at least one of the following arrangements: meandering, parallel, multi-parallel or discontinuous.

Fuel cell system ( 100 ) with at least one fuel cell ( 110 ), characterized in that the at least one fuel cell ( 110 ) an electrode element ( 10 ) according to one of claims 1 to 10.