DE102013020876A1 - Membrane electrode arrangement for use between bipolar plates of PEM-fuel cell used in motor car, has anode including selective membrane between catalyst and gas diffusion layers, where membrane is impermeable for nitrogen, oxygen and water - Google Patents

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Abstract

The arrangement has a proton-exchange-membrane (PEM) (1) arranged between an anode and a cathode. The anode and cathode include catalyst layers (2) and gas diffusion layers (3), where the catalyst layers are arranged at the PEM. The anode includes a hydrogen-permeable selective membrane (4) between the catalyst layers and the gas diffusion layers, where the selective membrane is impermeable for nitrogen, oxygen and water. The selective membrane is provided with a carrier layer for a metal layer and/or a nanoporous carbon layer. The carrier layer is made of aluminum oxide or titanium oxide.

Description

Die Erfindung betrifft eine Membranelektrodenanordnung und eine Brennstoffzelle. Ferner betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel und ein Kraftfahrzeug.The invention relates to a membrane electrode assembly and a fuel cell. Furthermore, the invention relates to a fuel cell stack and a motor vehicle.

Bei Brennstoffzellen wird elektrische Energie direkt aus chemischen Energieträgern ohne den Umweg über die Umwandlung in Wärme und Kraft wie bei einer Verbrennungskraftmaschine erzeugt. In Kraftfahrzeugen finden vor allem Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM) in einer Membranelektrodenanordnung (MEA) Verwendung, bei der die Elektroden durch eine semipermeable protonenleitende Membran voneinander getrennt sind. Die als Elektrolyt fungierende (Polymer-)Membran ist üblicherweise beidseitig mit einer Katalysatorschicht, an die sich Gasdiffusionslagen anschließen, als Elektroden beschichtet. Diese MEA werden üblicherweise zwischen zwei Bipolarplatten aufgenommen, die zur Temperaturregulation dienen und Kanäle zur Verteilung der Gase auf die Gasdiffusionslagen, die z. B. aus porösem Kohlenstoffpapier oder -fasergewebe bestehen können.In fuel cells, electrical energy is generated directly from chemical energy sources without the detour via the conversion into heat and power as in an internal combustion engine. In vehicles, especially proton exchange membrane (PEM) fuel cells are used in a membrane electrode assembly (MEA) in which the electrodes are separated by a semipermeable proton-conducting membrane. The electrolyte (polymer) membrane is usually coated on both sides with a catalyst layer, followed by gas diffusion layers coated as electrodes. These MEAs are usually taken between two bipolar plates, which serve to regulate the temperature and channels for the distribution of gases to the gas diffusion layers, the z. B. can consist of porous carbon paper or fiber fabric.

Die Katalysatorschichten umfassen Katalysatormetalle wie Platin oder Legierungen aus Platin mit Ruthenium, Nickel oder Cobalt, oder weisen eine Mischung aus Kohlenstoff (Graphit oder Ruß) und Katalysatormetallen auf.The catalyst layers comprise catalyst metals such as platinum or platinum alloys with ruthenium, nickel or cobalt, or have a mixture of carbon (graphite or carbon black) and catalyst metals.

Aus DE 11 2004 002 549 T5 ist eine Brennstoffzelle bekannt, bei der eine Elektrode (Anode) durch eine wasserstoffpermeable Metallschicht ohne Gasdiffusionslage gebildet wird. Die wasserstoffpermeable Metallschicht ist an einer Seite einer protonenleitenden Elektrolytschicht ausgebildet, an deren anderer Seite sich eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionslage (Kathode) anschließt. Die wasserstoffpermeable Metallschicht umfasst zumindest eine Schicht aus Palladium (Pd) oder einer Pd-Legierung und kann gegebenenfalls eine mehrschichtige Membran mit einer Basisschicht aus einer Gruppe V-Metall, wie Vanadium, Niob oder Tantal, bzw. aus deren Legierungen, und mit der Pd-haltigen Schicht sein, die zumindest auf der von der Elektrolytschicht abgewandten Seite der Basisschicht ausgebildet ist. Diese Brennstoffzelle weist dabei einen Temperaturverteilungsausgleichsabschnitt auf, mit dem eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle während des Betriebs ausgeglichen werden kann.Out DE 11 2004 002 549 T5 For example, a fuel cell is known in which an electrode (anode) is formed by a hydrogen-permeable metal layer without a gas diffusion layer. The hydrogen-permeable metal layer is formed on one side of a proton-conducting electrolyte layer, on the other side of which a catalyst layer and a gas diffusion layer (cathode) adjoin. The hydrogen-permeable metal layer comprises at least one layer of palladium (Pd) or Pd alloy and may optionally comprise a multilayer membrane having a base layer of a group of V metal such as vanadium, niobium or tantalum or their alloys, and Pd -containing layer which is formed at least on the side facing away from the electrolyte layer side of the base layer. In this case, this fuel cell has a temperature distribution compensation section, with which an uneven temperature distribution in the fuel cell during operation can be compensated.

Die Energieträger, die in einer Brennstoffzelle mittels elektrochemischer Reaktion Energie liefern, sind (Luft-)Sauerstoff und ein Brennstoff, wobei häufig Wasserstoff eingesetzt wird; es existieren aber auch Brennstoffzellen, die organische Verbindungen wie beispielsweise Methan oder Methanol als Brennstoff nutzen.The energy sources that provide energy in a fuel cell by means of electrochemical reaction are (air) oxygen and a fuel, often using hydrogen; But there are also fuel cells that use organic compounds such as methane or methanol as fuel.

Auf der Anodenseite erfolgt die Oxidationsreaktion/Elektronenabgabe, d. h. im Falle von Wasserstoff als Brennstoff die Dissoziation der H2-Moleküle zu je zwei Elektronen und zwei Protonen, die durch die Membran diffundieren, während die Elektronen in einem äußeren Stromkreis elektrische Arbeit verrichten und auf der Kathodenseite Sauerstoff reduzieren, so dass zusammen mit den durch die Membran transportierten Protonen Wasser entsteht. Aufgrund ungewollter Stofftransporte von Sauerstoff, Stickstoff und Prozesswasser von der Kathodenseite auf die Anodenseite wird der dort zugeführte Wasserstoff verdünnt und muss daher, um eine flächige Reaktion an der Anode sicherzustellen, im Überschuss zugeführt werden. Um den Verlust an Wasserstoff zu begrenzen, wird der austretende Gasstrom aus Wasserstoff und Verunreinigungen in der Regel rezirkuliert. Ferner sind die Kanalgeometrien in den Bipolarplatten nur in bestimmten Grenzen variierbar, da ein bestimmter Druckverlust erforderlich ist, um flüssiges Wasser austragen zu können.On the anode side, the oxidation reaction / electron donation occurs, ie in the case of hydrogen as fuel, the dissociation of H 2 molecules to two electrons and two protons, which diffuse through the membrane, while the electrons perform electrical work in an external circuit and on the Reduce the cathode side oxygen, so that together with the transported through the membrane protons water is formed. Due to unwanted mass transport of oxygen, nitrogen and process water from the cathode side to the anode side, the hydrogen supplied there is diluted and must therefore be supplied to ensure a surface reaction at the anode in excess. In order to limit the loss of hydrogen, the exiting gas stream of hydrogen and impurities is usually recirculated. Furthermore, the channel geometries in the bipolar plates are variable only within certain limits, since a certain pressure loss is required to discharge liquid water can.

Ferner sind Stillstandzeiten der Brennstoffzelle problematisch, da dann Luftsauerstoff auf die Anodenseite diffundieren kann, was beim Starten der Zelle erhöhte Potentiale bedingt, die den Katalysator schädigen.Furthermore, downtimes of the fuel cell are problematic because then oxygen can diffuse to the anode side, which causes increased potentials when starting the cell, which damage the catalyst.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle mit verbessertem Wasser- und Startmanagement bereitzustellen.Based on this prior art, it is an object of the present invention to provide a membrane electrode assembly for a fuel cell with improved water and start management.

Diese Aufgabe wird durch eine Membranelektrodenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a membrane electrode assembly having the features of claim 1.

Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.Further developments are set forth in the subclaims.

Eine weitere Aufgabe liegt in der Schaffung einer Brennstoffzelle, die Bipolarplatten mit alternativen Kanalgeometrien verwenden kann. Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.Another object is to provide a fuel cell that can use bipolar plates with alternative channel geometries. This object is achieved by a fuel cell with the features of claim 6.

Weitere Gegenstände der Erfindung sind ein Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und ein Kraftfahrzeug, das einen Brennstoffzellenstapel als elektrische Energiequelle aufweist, mit den Merkmalen des Anspruchs 8.Further objects of the invention are a fuel cell stack with the features of claim 7 and a motor vehicle having a fuel cell stack as an electrical energy source, with the features of claim 8.

Die erfindungsgemäße Membranelektrodenanordnung basiert auf einer Protonen-Austausch-Membran, die zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist. Dabei weisen sowohl Anode als auch Kathode eine an der Protonen-Austausch-Membran angeordnete Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht auf. Erfindungsgemäß weist die Anode ferner zwischen der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht eine wasserstoffpermeable Selektivmembran auf, die zumindest für Stickstoff, Sauerstoff und Wasser undurchlässig ist. Damit wird der Stofftransport von der Kathodenseite, der Luftstickstoff und Sauerstoff sowie Produktwasser umfasst, in die anodenseitige Gasdiffusionsschicht wirksam unterbunden; die Selektivmembran lässt nur Wasserstoff an die anodenseitige Katalysatorschicht gelangen. Das auf der Kathodenseite gebildete Produktwasser wird nur durch die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht abtransportiert. Vorteilhaft kann, da anodenseitig nur noch Wasserstoff vorliegt, auf die Anodenrezirkulation verzichtet werden und ein Anoden-Wasserabscheider kann entfallen. Ferner kann die Anzahl der Purge-Vorgänge, durch die Verunreinigungen in der MEA vor allem an der Katalysatorschicht entfernt werden, reduziert werden, und auch die Katalysator-Degradation kann deutlich verringert werden. Da zudem das Vorliegen von flüssigem Wasser an der Wasserstoffeinspritzung verhindert wird, sinkt die Vereisungsgefahr bei entsprechenden Umgebungstemperaturen deutlich und kann gegebenenfalls vollständig vermieden werden.The membrane electrode assembly according to the invention is based on a proton exchange membrane, which is arranged between an anode and a cathode. Both the anode and the cathode have a catalyst layer arranged on the proton exchange membrane and a gas diffusion layer. According to the invention, the Anode further between the catalyst layer and the gas diffusion layer on a hydrogen-permeable selective membrane, which is impermeable at least for nitrogen, oxygen and water. Thus, the mass transport of the cathode side, comprising the atmospheric nitrogen and oxygen and product water, effectively prevented in the anode-side gas diffusion layer; the selective membrane allows only hydrogen to reach the anode-side catalyst layer. The product water formed on the cathode side is removed only by the cathode-side gas diffusion layer. Advantageously, since there is only hydrogen on the anode side, the anode recirculation can be dispensed with and an anode water separator can be dispensed with. Further, the number of purge processes by which impurities in the MEA are removed, especially at the catalyst layer, can be reduced, and also the catalyst degradation can be significantly reduced. In addition, since the presence of liquid water in the hydrogen injection is prevented, the risk of icing drops significantly at corresponding ambient temperatures and can optionally be completely avoided.

Die wasserstoffpermeable Selektivmembran kann aus einer Metallschicht oder einer nanoporöse Kohlenstoffschicht bestehen. Es ist aber auch denkbar, dass die wasserstoffpermeable Selektivmembran aus mehr als einer Schicht besteht, d. h. mehr als eine Metallschicht oder mehr als eine Kohlenstoffschicht bzw. Metall- und Kohlenstoffschichten in Kombination aufweist.The hydrogen-permeable selective membrane may consist of a metal layer or a nanoporous carbon layer. However, it is also conceivable that the hydrogen-permeable selective membrane consists of more than one layer, i. H. has more than one metal layer or more than one carbon layer or metal and carbon layers in combination.

Zur Bildung der Metallschicht der wasserstoffpermeablen Selektivschicht kommen Palladium, Nickel, Titan oder Zirkonium in Frage. Es können aber auch Palladiumlegierungen, vor allem mit Nickel, Titan und/oder Zirkonium, ferner aber auch mit Silber, Kupfer, Cer, Yttrium und/oder Gold eingesetzt werden. Alternativ kann die Metallschicht aus einer auf Zirkonium, Vanadium und/oder Niob basierenden Legierung bestehen, bevorzugt aus einer Gruppe, die Nickel-Niob-Zirkonium-Legierungen, Vanadium-Aluminuim-Legierungen und Vanadium-Nickel-Legierungen umfasst.Palladium, nickel, titanium or zirconium may be used to form the metal layer of the hydrogen-permeable selective layer. However, it is also possible to use palladium alloys, especially with nickel, titanium and / or zirconium, but also also with silver, copper, cerium, yttrium and / or gold. Alternatively, the metal layer may be a zirconium, vanadium and / or niobium-based alloy, preferably a group comprising nickel-niobium-zirconium alloys, vanadium-aluminum alloys and vanadium-nickel alloys.

Ferner kann die wasserstoffpermeable Selektivmembran eine Trägerschicht für die zumindest eine Metallschicht und/oder Kohlenstoffschicht aufweisen.Furthermore, the hydrogen-permeable selective membrane may have a carrier layer for the at least one metal layer and / or carbon layer.

Eine solche Trägerschicht besteht aus einem elektrisch leitenden, wasserstoffpermeablen Material, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, die elektrisch leitende Keramik, beispielsweise Al2O3, TiO2, Sintermetall und Edelstahl umfasst.Such a carrier layer consists of an electrically conductive, hydrogen-permeable material, preferably selected from the group comprising electrically conductive ceramics, for example Al 2 O 3 , TiO 2 , sintered metal and stainless steel.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle hat eine erfindungsgemäße Membranelektrodenanordnung zwischen zwei Bipolarplatten. Dadurch, dass die erfindungsgemäße Membranelektrodenanordnung mit der wasserstoffpermeablen Selektivschicht die Stoffströme von Wasser, Sauerstoff und Stickstoff von der Kathodenseite in die Gasdiffusionsschicht der Anodenseite unterbindet, können die Kanalgeometrien der Bipolarplatten, insbesondere der Bipolarplatte auf Anodenseite in erster Linie auf die Anforderung der Verteilung des Wasserstoffs, und gegebenenfalls des Kühlbedarfs angepasst werden. Die Kanäle müssen nicht mehr konzipiert sein, einen bestimmten Druckverlust zu erzeugen, um flüssiges Wasser austragen zu können. Auch auf die Komponenten für die Anodenrezikulation kann verzichtet werden.The fuel cell according to the invention has a membrane electrode arrangement according to the invention between two bipolar plates. Since the membrane electrode arrangement according to the invention with the hydrogen-permeable selective layer prevents the material flows of water, oxygen and nitrogen from the cathode side into the gas diffusion layer of the anode side, the channel geometries of the bipolar plates, in particular of the anode-side bipolar plate, can be based primarily on the request for the distribution of the hydrogen, and, where appropriate, the cooling requirements are adjusted. The channels no longer have to be designed to produce a certain pressure loss in order to discharge liquid water. Also, the components for the anode recitation can be dispensed with.

Ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel setzt sich aus mehreren erfindungsgemäßen Brennstoffzellen zusammen.A fuel cell stack according to the invention is composed of a plurality of fuel cells according to the invention.

In einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug liegt zumindest ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel als elektrische Energiequelle vor, vorzugsweise jedoch wird das Fahrzeug mehrere Brennstoffzellenstapel aufweisen, die einen elektrischen Motor mit Strom versorgen.In a motor vehicle according to the invention, at least one fuel cell stack according to the invention is present as an electrical energy source, but preferably the vehicle will have a plurality of fuel cell stacks which supply an electric motor with power.

Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.These and other advantages are set forth by the following description with reference to the accompanying figures. The reference to the figures in the description is to facilitate understanding of the subject matter. Articles or parts of objects which are substantially the same or similar may be given the same reference numerals. The figures are merely a schematic representation of an embodiment of the invention.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine vereinfachte Seitenschnittansicht durch eine Membranelektrodenanordnung aus dem Stand der Technik, 1 a simplified side sectional view through a membrane electrode assembly of the prior art,

2 eine vereinfachte Seitenschnittansicht durch eine erfindungsgemäße Membranelektrodenanordnung. 2 a simplified side sectional view through a membrane electrode assembly according to the invention.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellen-Membranelektrodenanordnung, deren Aufbau eine wasserstoffselektive Membran, d. h. nur für Wasserstoff permeabel, um die Stoffströme innerhalb der Membranelektrodenanordnung zu optimieren.The invention relates to a fuel cell membrane electrode assembly whose structure is a hydrogen-selective membrane, d. H. permeable only to hydrogen to optimize the mass flows within the membrane electrode assembly.

1 zeigt vereinfacht Aufbau einer MEA für eine PEM-Brennstoffzelle aus dem Stand der Technik: An die Protonenaustauschmembran 1 schließen sich die Katalysatorschichten 2 an, zu denen die Reaktionsgase – Wasserstoff H2 auf Anodenseite und Sauerstoff O2 auf Kathodenseite – durch die jeweiligen Gasdiffusionsschichten 3 transportiert werden. Das entstehende Produktwasser H2O wird auf der Kathodenseite durch die Gasdiffusionsschicht 3 in Kanäle der nicht dargestellten Bipolarplatte transportiert. Diese Stofftransporte sind, da für die Brennstoffzellenreaktion notwendig, gewollt und in 1 durch weiße Blockpfeile angedeutet. 1 Fig. 2 shows a simplified construction of an MEA for a PEM fuel cell of the prior art: the proton exchange membrane 1 close the catalyst layers 2 to which the reaction gases - hydrogen H 2 on the anode side and Oxygen O 2 on the cathode side - through the respective gas diffusion layers 3 be transported. The resulting product water H 2 O is on the cathode side through the gas diffusion layer 3 transported in channels of the bipolar plate, not shown. These substance transports are, as necessary for the fuel cell reaction, wanted and in 1 indicated by white block arrows.

Zusätzlich finden aber auch noch andere Stofftransporte statt – dargestellt durch die gemusterten Blockpfeile – die die gewollten Stofftransporte einschränken oder sogar verhindern. So wandert ein Teil des mit der Luft eingebrachten Stickstoffs N2 durch die Membran 1 auf die Anodenseite, ebenso wie ein Teil des Produktwassers H2O. Dadurch findet auf der Anodenseite eine Verdünnung des Wasserstoffs H2 statt, so dass dieser im Überschuss (überstöchiometrisch) zugeführt werden muss, um über die gesamte Katalysatorfläche 2 eine Reaktion sicherstellen zu können. Um nicht zu viel Wasserstoff zu verlieren, wird der austretende Gasstrom in der Regel rezirkuliert.In addition, however, other material transports also take place - represented by the patterned block arrows - which limit or even prevent the desired substance transports. Thus, part of the air introduced nitrogen migrates N 2 through the membrane 1 On the anode side, as well as a part of the product water H 2 O. This takes place on the anode side, a dilution of the hydrogen H 2 , so that it must be supplied in excess (stoichiometric) to over the entire catalyst surface 2 to be able to ensure a reaction. In order not to lose too much hydrogen, the exiting gas stream is usually recirculated.

Ferner erfordert das ungewollt auf der Anodenseite auftretende Prozesswasser eine bestimmte Kanalgeometrie in der nicht dargestellten Bipolarplatte, um einen bestimmten Druckverlust zu erzeugen, so dass flüssiges Wasser ausgetragen werden kann. Die Aufgaben der Bipolarplatte liegen neben der elektrischen Kontaktierung der Elektroden und der Verbindung benachbarter Zellen darin, die Reaktionsgase in einem möglichst günstigen Strömungsfeld in die Gasdiffusionsschichten zu leiten und Prozesswasser abzuführen. Dabei entstehen zum Teil gegensätzliche Anforderungen an die Kanalgeometrien in den Bipolarplatten. Während zur Verhinderung von Blockaden der Kanäle durch Wassertropfen das entstehende Flüssigwasser abtransportiert werden muss, wofür ein hoher Druckverlust hilfreich ist, ist für einen geringen peripheren Stromverbrauch ein niedriger Druckverlust vorteilhaft. Ferner sollen die Reaktionsgase möglichst gleichmäßig in die Gasdiffusionslage transportiert werden, und für die elektrische Kontaktierung eine möglichst große Kontaktfläche zur Verfügung stehen. Die Gestaltungsmöglichkeiten der Kanalgeometrien, um diesen ganzen Anforderungen Rechnung zu tragen, sind daher eingeschränkt.Furthermore, the process water occurring unintentionally on the anode side requires a specific channel geometry in the bipolar plate, not shown, in order to generate a certain pressure loss, so that liquid water can be discharged. The tasks of the bipolar plate are in addition to the electrical contacting of the electrodes and the connection of adjacent cells therein to direct the reaction gases in the most favorable flow field in the gas diffusion layers and dissipate process water. In some cases, conflicting requirements are imposed on the channel geometries in the bipolar plates. While in order to prevent blockages of the channels by water droplets, the resulting liquid water must be removed, for which a high pressure loss is helpful, low pressure loss is advantageous for low peripheral power consumption. Furthermore, the reaction gases should be transported as evenly as possible in the gas diffusion layer, and for the electrical contacting the largest possible contact surface available. The design options of the channel geometries to accommodate these requirements are therefore limited.

Ferner kommt es im Stand der Technik beim Stillstand der Zelle zur Diffusion von Sauerstoff O2 auf die Anodenseite. Dadurch entsteht beim Starten der Brennstoffzelle die Situation, dass an einem Teil der Anode (insbesondere am Zelleingang) Wasserstoff H2 zur Reaktion gelangt, während an einem anderen Teil der Anode (am Zellausgang) noch Sauerstoff O2 vorhanden ist. Dadurch entstehen erhöhte Potenziale, die den Katalysator schädigen.Further, in the prior art, when the cell is stopped, oxygen O 2 diffuses on the anode side. This creates when starting the fuel cell, the situation that at one part of the anode (in particular at the cell entrance) hydrogen H 2 comes to the reaction, while at another part of the anode (at the cell exit) still oxygen O 2 is present. This creates increased potentials that damage the catalyst.

Die in 2 gezeigte erfindungsgemäße Membranelektrodenanordnung weist ebenfalls eine Protonenaustauschmembran 1 auf, an die sich die anoden- und kathodenseitigen Katalysatorschichten 2 anschließen. Während die Kathodenseite mit der an die Katalysatorschicht 2 anschließenden Gasdiffusionsschicht 3 wie im Stand der Technik beschaffen sein kann, weist die Anodenseite erfindungsgemäß zwischen der Katalysatorschicht 2 und der Gasdiffusionsschicht 3 eine Selektivmembran 4 auf, die zwar durchlässig für Wasserstoff H2, aber nicht für Stickstoff N2, Sauerstoff O2 und Wasser H2O ist.In the 2 The membrane electrode assembly according to the invention also has a proton exchange membrane 1 to which the anode and cathode side catalyst layers 2 connect. While the cathode side with the to the catalyst layer 2 subsequent gas diffusion layer 3 As may be provided in the prior art, the anode side according to the invention between the catalyst layer 2 and the gas diffusion layer 3 a selective membrane 4 which is permeable to hydrogen H 2 but not to nitrogen N 2 , oxygen O 2 and water H 2 O.

Auch hier werden die Reaktionsgase H2 und O2 durch die Gasdiffusionsschichten 3 an die jeweilige Katalysatorschicht 2 transportiert und das entstehende Produktwasser H2O wird auf der Kathodenseite durch die Gasdiffusionsschicht 3 in Kanäle der nicht dargestellten Bipolarplatte transportiert. Wie in 1 sind auch hier diese gewollten Stofftransporte durch weiße Blockpfeile dargestellt. Allerdings werden in der erfindungsgemäßen Membranelektrodenanordnung in 2 ungewollte Stofftransporte (gemusterte Blockpfeile) in die anodenseitige Gasdiffusionsschicht 3 durch die Selektivmembran 4 verhindert oder zumindest wesentlich eingeschränkt. Auf diese Weise gelangen Stickstoff N2, Prozesswasser H2O und Sauerstoff O2 nicht oder nur noch in geringstem Umfang in die anodenseitige Gasdiffusionsschicht 3 und die Kanäle der nicht dargestellten Bipolarplatte.Again, the reaction gases H 2 and O 2 through the gas diffusion layers 3 to the respective catalyst layer 2 transported and the resulting product water H 2 O is on the cathode side through the gas diffusion layer 3 transported in channels of the bipolar plate, not shown. As in 1 Here, too, these wanted material transports are represented by white block arrows. However, in the membrane electrode assembly according to the invention in 2 unwanted mass transport (patterned block arrows) into the anode-side gas diffusion layer 3 through the selective membrane 4 prevented or at least significantly restricted. In this way, nitrogen N 2 , process water H 2 O and oxygen O 2 are not or only to a very limited extent in the anode-side gas diffusion layer 3 and the channels of the bipolar plate, not shown.

Vorteilhaft wird so der zugeführte Wasserstoff H2 nicht oder nur unwesentlich verunreinigt, so dass dessen Rezirkulation nicht erforderlich ist und entsprechende Vorrichtungskomponenten entfallen können.Advantageously, the supplied hydrogen H 2 is not or only slightly contaminated so that its recirculation is not required and corresponding device components can be omitted.

Zudem kann das Purgen auf ein Minimum reduziert werden, bzw. Purgeintervalle vergrößert werden. Purgen bezeichnet das zyklische Ablassen von Wasserstoff, wobei der Druck auf Anodenseite kurzzeitig rapide abgebaut wird, um angesammelte Verunreinigungen und Wassertropfen auszutragen. Da dies bei einer erfindungsgemäßen Membranelektrodenanordnung weithingehend vermieden wird, kann das Purgen und der damit verbundene Wasserstoffverlust (Purgeverlust) deutlich reduziert werden. Auf das Purgen wird in der Praxis nicht vollständig verzichtet werden können, da sich trotz der erfindungsgemäßen Selektivmembran anodenseitig mit der Zeit Verunreinigungen ansammeln können, die z. B. aus dem Wasserstoffvorratstank stammen oder in geringem Umfang von der Kathodenseite durch die Selektivmembran gelangen.In addition, the purge can be reduced to a minimum, or Purgeintervalle be increased. Purgen refers to the cyclic discharge of hydrogen, wherein the pressure on the anode side is rapidly degraded rapidly to discharge accumulated contaminants and water droplets. Since this is largely avoided in a membrane electrode assembly according to the invention, the purge and the associated loss of hydrogen (purge loss) can be significantly reduced. Purification will not be completely dispensed with in practice, since, in spite of the selective membrane according to the invention, it is possible on the anode side to accumulate impurities over time which, for B. come from the hydrogen storage tank or get to a small extent from the cathode side through the selective membrane.

Auch für das Strömungsfelddesign durch die Kanäle der Bipolarplatten, insbesondere der anodenseitigen Bipolarplatte, ergeben sich Vorteile: Infolge der verhinderten Verdünnung des Wasserstoffs kann der zugeführte Wasserstoffstrom verringert werden; gleichzeitig ist die Gleichverteilung homogen zusammengesetzter Gase (ohne kondensierbares Wasser) deutlich einfacher umzusetzen. Die Anforderung an die Kanäle der anodenseitigen Bipolarplatte bezüglich des Abtransports des Prozesswassers, um eine Blockade der Kanäle zu verhindern, entfällt, so dass die Kanalgeometrien in Bezug auf die übrigen Anforderungen optimiert werden kann.Also for the flow field design through the channels of the bipolar plates, in particular the anode-side bipolar plate, there are advantages: Due to the prevented dilution of the hydrogen, the supplied hydrogen stream can be reduced; At the same time, the uniform distribution of homogeneously composed gases (without condensable water) is much easier to implement. The requirement for the channels of the anode-side bipolar plate with respect to the removal of the process water in order to prevent a blockage of the channels, is eliminated, so that the channel geometries can be optimized with respect to the other requirements.

Andererseits kann auf der Kathodenseite dadurch, dass quasi sämtliches entstehendes Prozesswasser kathodenseitig ausgetragen wird, der für die Reaktion erforderliche Kathodenbefeuchter besser arbeiten, d. h. für gleiche Leistung kleiner ausgelegt werden.On the other hand, by virtue of the fact that almost all the process water produced is discharged on the cathode side on the cathode side, the cathode humidifier required for the reaction works better, ie. H. be designed smaller for the same performance.

Zwar kann beim Starten der Brennstoffzelle nach wie vor Sauerstoff an der anodischen Katalysatorschicht anliegen, dessen Anteil aber deutlich geringer ist, da kein Sauerstoff nachgeführt werden kann. Auch wenn sich in den Anodenkanälen Sauerstoff angereichert hat (z. B. über die Anodendichtungen), kann dieser nicht durch die Selektivmembran an die Katalysatorschicht gelangen. Der geringe Sauerstoffanteil, der gegebenenfalls in der Katalysatorschicht vorhanden ist, wird beim Starten sofort abreagieren, so dass der Zeitraum, in der die kritische Überspannung anliegt, minimiert wird und die Katalysator-Degradation drastisch verringert wird.Although, when the fuel cell is started, oxygen can still rest against the anodic catalyst layer, but its proportion is markedly lower since no oxygen can be supplied. Even if oxygen has accumulated in the anode channels (eg via the anode seals), it can not reach the catalyst layer through the selective membrane. The small amount of oxygen that may be present in the catalyst layer will react immediately upon start-up so that the period of time during which the critical overvoltage is applied is minimized and catalyst degradation is drastically reduced.

Als Material für die wasserstoffpermeable Selektivmembran kommen z. B. dichte Metallmembranen aus Pd, Ni, Ti, Zr oder aus einer Pd-Legierung, vor allem mit Ni, Ti und Zr sowie ferner Ag, Cu, Ce, Y und Au in Frage. Ferner können auch auf Zr, V und Nb basierende Legierungen, wie z. B. Ni-Nb-Zr Legierungen, V-Al Legierungen, V-Ni Legierungen zur Bildung der Selektivmembran herangezogen werden. Ferner können nanoporöse Kohlenstoffmembranen als Selektivmembran eingesetzt werden, da auch Carbonmaterialien die erforderliche elektrische Leitfähigkeit aufweisen.As a material for the hydrogen-permeable selective membrane z. B. dense metal membranes of Pd, Ni, Ti, Zr or of a Pd alloy, especially with Ni, Ti and Zr and also Ag, Cu, Ce, Y and Au in question. Furthermore, based on Zr, V and Nb alloys such. As Ni-Nb-Zr alloys, V-Al alloys, V-Ni alloys are used to form the selective membrane. Furthermore, nanoporous carbon membranes can be used as a selective membrane, since carbon materials also have the required electrical conductivity.

Die Selektivmembran kann auf die anodenseitige Katalysatorschicht oder Gasdiffusionsschicht aufgebracht werden. Da jedoch sowohl Katalysatorschicht als auch Gasdiffusionsschicht relativ offene Strukturen mit Poren sind, die gegebenenfalls größer als die Schichtdicke sind, wird in einer bevorzugten Ausführungsform die selektive Metallmembran bzw. Kohlenstoffmembran auf eine separate Trägerschicht aufgebracht. Diese kann beispielsweise aus einer elektrisch leitfähigen Keramik (z. B. Al2O3, TiO2), Sintermetall oder Edelstahl bestehen. Generell sind auch organische Polymere als Trägerschicht denkbar, die allerdings durch geeignete Zusätze mit elektrischer Leitfähigkeit ausgestattet sein müssen.The selective membrane may be applied to the anode-side catalyst layer or gas diffusion layer. However, since both the catalyst layer and the gas diffusion layer are relatively open structures with pores, which are optionally greater than the layer thickness, in a preferred embodiment, the selective metal membrane or carbon membrane is applied to a separate carrier layer. This may for example consist of an electrically conductive ceramic (eg Al 2 O 3 , TiO 2 ), sintered metal or stainless steel. In general, organic polymers are also conceivable as a carrier layer, which, however, must be equipped with suitable electrical conductivity additives.

Die Aufbringung der Selektivmembran auf die Trägerschicht, oder auch auf die Katalysatorschicht oder Gasdiffusionsschicht kann – je nach Material – durch nasschemische Beschichtung, galvanische Beschichtung, thermisches Spritzen, physikalische Gasphasenabscheidung, oder chemische Gasphasenabscheidung erfolgen.The application of the selective membrane on the support layer, or on the catalyst layer or gas diffusion layer can - depending on the material - by wet-chemical coating, electroplating, thermal spraying, physical vapor deposition, or chemical vapor deposition take place.

Die zusätzliche Selektivmembran bedeutet zwar erhöhte Kosten bei der Herstellung der Membranelektrodenanordnung, diese werden aber durch die durch die Selektivmembran ermöglichten Einsparungen bei dem Katalysatormaterial, mehr als ausgeglichen. Auch durch die System-Vereinfachungen, etwa bei den Bipolarplatten und durch Wegfall von Rezirkulation und Wasserabscheider auf Anodenseite, und Betriebskosten durch weniger Purgeverluste und weniger Katalysator-Degradation werden Kosten eingespart.Although the additional selective membrane means increased costs in the preparation of the membrane electrode assembly, but these are more than offset by the savings made possible by the selective membrane in the catalyst material. The system simplifications, for example in the bipolar plates and by eliminating recirculation and water separator on the anode side, and operating costs by less Purgeverluste and less catalyst degradation costs are saved.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (8)

Membranelektrodenanordnung, die eine Protonen-Austausch-Membran (1) aufweist, die zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist, wobei die Anode und die Kathode jeweils eine an der Protonen-Austausch-Membran (1) angeordnete Katalysatorschicht (2) und eine Gasdiffusionsschicht (3) aufweisen, und wobei die Anode zwischen der Katalysatorschicht (2) und der Gasdiffusionsschicht (3) eine wasserstoffpermeable Selektivmembran (4) aufweist, die zumindest für Stickstoff, Sauerstoff und Wasser undurchlässig ist.Membrane electrode assembly comprising a proton exchange membrane ( 1 ), which is arranged between an anode and a cathode, wherein the anode and the cathode in each case one at the proton exchange membrane ( 1 ) arranged catalyst layer ( 2 ) and a gas diffusion layer ( 3 ), and wherein the anode between the catalyst layer ( 2 ) and the gas diffusion layer ( 3 ) a hydrogen-permeable selective membrane ( 4 ) impermeable to at least nitrogen, oxygen and water. Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die wasserstoffpermeable Selektivmembran (4) zumindest eine Metallschicht und/oder eine nanoporöse Kohlenstoffschicht aufweist.A membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the hydrogen permeable selective membrane ( 4 ) has at least one metal layer and / or a nanoporous carbon layer. Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 2, wobei die Metallschicht – Palladium, Nickel, Titan oder Zirkonium oder – eine Palladiumlegierung mit Nickel, Titan, Zirkonium, Silber, Kupfer, Cer, Yttrium und/oder Gold, oder – eine auf Zirkonium, Vanadium und/oder Niob basierende Legierung, bevorzugt aus der Gruppe, die Nickel-Niob-Zirkonium-Legierungen, Vanadium-Aluminuim-Legierungen und Vanadium-Nickel-Legierungen umfasst, aufweist.Membrane electrode assembly according to claim 2, in which the metal layer - Palladium, nickel, titanium or zirconium or A palladium alloy with nickel, titanium, zirconium, silver, copper, cerium, yttrium and / or gold, or A zirconium, vanadium and / or niobium-based alloy, preferably from the group comprising nickel-niobium-zirconium alloys, vanadium-aluminum alloys and vanadium-nickel alloys, having. Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die wasserstoffpermeable Selektivmembran (4) eine Trägerschicht für die zumindest eine Metallschicht und/oder Kohlenstoffschicht aufweist.Membrane electrode assembly according to claim 2 or 3, wherein the hydrogen-permeable selective membrane ( 4 ) has a carrier layer for the at least one metal layer and / or carbon layer. Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 4, wobei die Trägerschicht aus einem elektrisch leitenden, wasserstoffpermeablen Material aus der Gruppe ist, die elektrisch leitende Keramik umfassend Al2O3, TiO2, Sintermetall und Edelstahl umfasst.The membrane electrode assembly of claim 4, wherein the support layer is of an electrically conductive, hydrogen permeable material selected from the group comprising electrically conductive ceramics comprising Al 2 O 3 , TiO 2 , sintered metal, and stainless steel. Brennstoffzelle die eine zwischen zwei Bipolarplatten angeordneten Membranelektrodenanordnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranelektrodenanordnung eine Membranelektrodenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 ist.Fuel cell having a membrane electrode assembly arranged between two bipolar plates, characterized in that the membrane electrode assembly is a membrane electrode assembly according to at least one of claims 1 to 5. Brennstoffzellenstapel aus mehreren Brennstoffzellen dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen Brennstoffzellen nach Anspruch 6 sind.Fuel cell stack of a plurality of fuel cells, characterized in that the fuel cells are fuel cells according to claim 6. Kraftfahrzeug, das einen Brennstoffzellenstapel als elektrische Energiequelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel ein Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 7 ist.Motor vehicle having a fuel cell stack as an electrical energy source, characterized in that the fuel cell stack is a fuel cell stack according to claim 7.
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