DE102015215381A1 - Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle sowie Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit (15) für eine Brennstoffzelle (10), umfassend eine Membran (11) an welcher beidseits eine katalytische Schicht (12, 13) und daran eine Gasdiffusionsschicht (30) angeordnet ist. Es ist vorgesehen, dass die Gasdiffusionsschicht (30) eine Schicht mit elektrisch leitfähigen Partikeln (35) umfasst, und ein Teil der Partikel (35) unmittelbar an die katalytische Schicht (12, 13) angrenzend angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle umfassend eine Membran, an welcher beidseits eine katalytische Schicht und eine Gasdiffusionsschicht angeordnet sind, sowie eine Brennstoffzelle mit einer solchen.
  • Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente Membran-Elektroden-Einheiten, die jeweils als ein Verbund aus einer Ionen leitenden, insbesondere Protonen leitenden, Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ausgestaltet sein kann. Zudem können Gasdiffusionsschichten beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den von der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel weist die Brennstoffzelle eine Vielzahl im Stapel angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten auf, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über einen Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der Protonen (H+) aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff (O2) oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
  • Die Brennstoffzelle wird also durch eine Vielzahl im Stapel angeordneter Einzelzellen gebildet, sodass auch vom Brennstoffzellenstapel gesprochen wird. Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten sind Bipolarplatten angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanden, und einem Temperiermedium, sicherstellen. Zudem können die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten sorgen.
  • Beidseits der Membran ist eine Gasdiffusionsschicht angeordnet. Diese hat zum einen die Aufgabe, Wasserstoff und Sauerstoff gleichmäßig an die Folie zu führen, zum anderen führt sie Strom, Wasser und Wärme an die Bipolarplatten ab. Hierzu umfasst die Gasdiffusionsschicht ein Material, welches eine gute elektrische Leitfähigkeit, eine gute Gasdurchlässigkeit und ausreichend mechanische Stabilität aufweist.
  • Zur Verbesserung der Gasdiffusionsschichten werden Bemühungen angestrengt, deren Gasdurchlässigkeit zu erhöhen und damit die Diffusion der Betriebsmedien sowie den Wasseraustrag zu erhöhen.
  • So ist beispielsweise in DE 100 52 223 A1 eine Gasdiffusionselektrode beschrieben, die Kohlefasern aufweist, die mit einem bestimmten Herstellungsverfahren auf definierte Art angeordnet sind.
  • In DE 197 21 952 ist ferner eine Gasdiffusionsschicht bekannt, die staubförmige Partikel umfasst, die in einem thermoplastischen Binder vergossen sind, bevor sie als Schicht an der Membran angeordnet werden.
  • Den bekannten Gasdiffusionsschichten ist gemeinsam, dass sie eine im Wesentlichen gerade Oberfläche aufweisen. Da die Membranoberfläche, insbesondere die Oberfläche einer katalytischen Beschichtung auf der Membran, jedoch Unebenheiten aufweist, liegen Gasdiffusionsschichten nach dem Stand der Technik nur punktuell auf. Die Grenzfläche zwischen Membran und Gasdiffusionsschicht weist daher einen unzureichend hohen Kontaktwiderstand auf, der den Transport elektrisch generierter Ladung behindert.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Membran-Elektroden-Einheit bereitzustellen, die einen reduzierten Kontaktwiderstand aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Membran-Elektroden-Einheit mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung eine Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle umfassend eine Membran, an welcher beidseits eine katalytische Schicht und daran angrenzend eine Gasdiffusionsschicht angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Gasdiffusionsschicht eine Schicht mit elektrisch leitfähigen Partikeln umfasst oder aus einer solchen Schicht besteht, wobei zumindest ein Teil der Partikel unmittelbar an die katalytische Schicht angrenzt.
  • Die erfindungsgemäße Gasdiffusionsschicht hat insbesondere den Vorteil, dass innerhalb der Schicht mit elektrisch leitfähigen Partikeln ein besonders niedriger Kontaktwiderstand vorliegt, da die Partikel automatisch dichtest gepackt sind und keine größeren Hohlräume entstehen, an denen die elektrische Leitfähigkeit innerhalb der Schicht reduziert werden würde. Zudem passen sich die Partikel an den Grenzflächen der Schicht sehr gut an die Unebenheiten der Nachbarschichten an. Makroskopisch kommt es zu einer optimalen Anpassung.
  • Der Kontaktwiderstand an der Grenzfläche zwischen Membran und Gasdiffusionsschicht ist in der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit insbesondere durch den direkten Kontakt von Gasdiffusionsschicht und katalytischer Beschichtung reduziert. Die Partikel der Gasdiffusionsschicht sind großflächig auf der Membranoberfläche verteilt. Je nach Partikelgröße ist die Kontaktfläche zwischen dem Material der Gasdiffusionsschicht und der Membranoberfläche maximiert und der Kontaktwiderstand reduziert. Ein günstigerer Kontaktwiderstand wäre unter ähnlichen Bedingungen nur durch Aufbringen des Materials im flüssigen Zustand zu erreichen.
  • Die erfindungsgemäße Gasdiffusionsschicht wird bevorzugt hergestellt, indem das Material der Gasdiffusionsschicht in partikulärer Form direkt, also unmittelbar, auf die Membran aufgebracht wird. Hohlräume innerhalb der Schicht und an der Grenzfläche werden durch den Schüttvorgang derart gefüllt, dass sie eine definierte und zum Abtransport von Wasser geeignete Form und Größe aufweisen. Weiterhin können durch Vibrationen, wie Rütteln, die Packung der Partikel weiter optimiert und somit Hohlräume noch weiter reduziert werden. Die Partikel werden anschließend fixiert. Die Fixierung erfolgt beispielsweise durch ein Zusammenpressen der Zelle, durch das Zugeben von chemischen Bindern und/oder durch thermische Fixierverfahren.
  • Die Membran-Elektroden-Einheit weist zumindest eine Gasdiffusionsschicht, eine Membran sowie beidseits der Membran angeordnete Elektroden auf. Die Elektroden umfassen ein elektrisch leitfähiges katalytisches Material, welches zwischen der Gasdiffusionsschicht und der Membran angeordnet ist. Das katalytische Material kann durch katalytische Beschichtung der Membran entweder der Membran zugeordnet sein, als selbsttragende Schicht ausgebildet sein oder aber, wenn es sich um eine Gasdiffusionselektrode handelt, durch Beschichtung der an die Membran angrenzenden Oberfläche der Gasdiffusionsschicht ausgebildet sein. Vorliegend ist bevorzugt, dass es sich bei der Membran um eine katalytisch beschichtete Membran handelt, sodass die Elektrode der Membran zuzuordnen ist.
  • Vorzugsweise weisen die elektrisch leitfähigen Partikel eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 10 nm bis 1000 µm auf.
  • Ferner ist bevorzugt, dass die Partikel unterschiedliche Partikelgrößen aufweisen. Dabei ist ein breites Spektrum an Partikelgrößenverteilung besonders bevorzugt. Daraus ergibt sich eine breite Verteilung der Partikelgrößen mit einer großen Varianz, welche bevorzugt im Bereich von 10 nm bis 1000 µm liegt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt beispielsweise darin, dass Hohlräume zwischen größeren Partikeln durch kleinere Partikel derart gefüllt werden können, dass eine größere elektrisch leitfähige Kontaktfläche zwischen einzelnen Partikeln entsteht und somit der Kontaktwiderstand reduziert wird und gleichzeitig die Hohlräume gezielt für die Unterstützung eines Wassertransports durch die Gasdiffusionsschicht ausgelegt werden.
  • Mit besonderem Vorteil umfassen die Partikel mindestens zwei Chargen, welche jeweils eine mittlere Partikelgröße aufweisen, wobei sich die mindestens zwei mittleren Partikelgrößen um mindestens eine Fehlerbreite voneinander unterscheiden. Dabei ist die Partikelgrößenverteilung innerhalb der Chargen relativ klein und die Chargen sind vorzugsweise deutlich voneinander trennbar. Die Chargen sind entweder durchmischt oder, was bevorzugt ist, in separaten Schichten angeordnet.
  • Unter Charge wird vorliegend jeweils eine Menge in Form und Größe ähnlicher Partikel verstanden. Die Anzahl der einer Charge zuordenbaren Partikel kann zwischen den Chargen variieren. Mit Vorteil ist das Volumen der einzelnen Chargen vergleichbar, insbesondere in der gleichen Größenordnung, vorzugsweise gleich.
  • Besonders bevorzugt ist, dass die Partikel in Form eines Gradienten der Partikelgrößen angeordnet sind, welcher senkrecht zur Membranoberfläche verläuft. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht insbesondere darin, dass mit zunehmender Partikelgröße die Anzahl und Größe der Poren und Kanäle zwischen den einzelnen Partikeln steigt und somit eine Porosität der Gasdiffusionsschicht graduell über die Breite der Gasdiffusionsschicht eingestellt werden kann.
  • In alternativer Ausführung verändert sich die mittlere Partikelgröße stufenweise in Richtung der Membran, das heißt, die Gasdiffusionsschicht weist mindestens zwei partikuläre Schichten auf, die unterschiedliche mittlere Partikelgrößen besitzen. Vorteil dieser Ausführung ist ihre einfache Herstellung durch sequentielles Austragen von Partikeln unterschiedlicher Partikelgrößen.
  • Ferner ist in diesen Ausgestaltungen an der Grenzfläche, an der die kleinsten Partikel angeordnet sind, der Kontaktwiderstand minimiert, sodass ein optimaler Übergang der elektrischen Ladung an der Grenzfläche zwischen zwei Schichten erfolgen kann. Mit zunehmendem Abstand von dieser Grenzfläche werden durch eine zunehmende Partikelgröße die Anzahl der Grenzflächen, die von einer elektrischen Ladung überwunden werden muss, verringert und damit auch die Grenzflächenverluste reduziert. Somit kann innerhalb der erfindungsgemäßen Gasdiffusionsschicht lokal ein optimales Gleichgewicht zwischen möglichst wenig Grenzflächenverlusten und möglichst geringem Kontaktwiderstand eingestellt werden.
  • Weiter bevorzugt ist, dass die mittlere Partikelgröße in Richtung der katalytischen Schicht abnimmt, das heißt, dass die Partikel mit den kleinsten Partikelgrößen an der katalytischen Schicht angeordnet sind. An der katalytisch Schicht findet die Brennstoffzellenreaktion und somit die Bildung elektrischer Energie statt. Die erzeugte elektrische Ladung wird über die Gasdiffusionsschicht an die angrenzenden Bipolarplatten geleitet. Diese Ausgestaltung ermöglicht, dass der erste Grenzübergang, den eine erzeugte elektrische Ladung passieren muss, nämlich der Übergang zwischen Membran und Gasdiffusionsschicht, einen möglichst geringen Kontaktwiderstand aufweist und somit der Wirkungsgrad der Membran-Elektroden-Einheit und insbesondere der Wirkungsgrad der späteren Brennstoffzelle erhöht wird.
  • Mit besonderem Vorteil weist die Gasdiffusionsschicht einen Gradienten der Größe der zwischen den Partikeln gebildeten Hohlräume beziehungsweise Poren auf. Insbesondere verläuft dieser Gradient aufsteigend von der katalytischen Schicht über die Dicke der Gasdiffusionsschicht. Dadurch werden fluidführende Pfade durch die Gasdiffusionsschicht ausgebildet, die einen Wassertransport durch die Gasdiffusionsschicht begünstigen und eine Wasseransammlung an der Membranoberfläche vermeiden.
  • Bei den Partikeln handelt es sich bevorzugt um poröse, elektrisch leitfähige Partikel. Bevorzugt umfassen die Partikel Graphitpulver oder Ruß, Metalle und/oder leitfähige Polymere.
  • In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gasdiffusionsschicht auf der von der Membran abgewandten Seite eine Deckschicht aufweist. Diese führt mit Vorteil zu einem Verschluss beziehungsweise zu einem Versiegeln der Schicht sowie zu einer Fixierung des Materials. Bei der Deckschicht handelt es sich beispielsweise um gepresstes oder gesintertes Material oder aber um faserförmige Materialien, wie Vliese oder Filze. Das Material der Deckschicht entspricht bevorzugt zumindest teilweise dem Material der Partikel.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Brennstoffzelle, welche eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit aufweist. Aufgrund der Vorteile der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit, insbesondere aufgrund des reduzierten Kontaktwiderstands zwischen Membran-Elektroden-Einheit und Gasdiffusionsschicht, zeigt die erfindungsgemäße Brennstoffzelle gegenüber den Brennstoffzellen des Standes der Technik einen erhöhten Wirkungsgrad.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzellenstapel,
  • 2 einen schematischen Aufbau einer Membran-Elektroden-Einheit nach dem Stand der Technik; und
  • 3 einen schematischen Aufbau einer Membran-Elektroden-Einheit nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
  • 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem insgesamt mit 100 bezeichneten Brennstoffzellenstapel, von dem hier lediglich zwei einzelne Brennstoffzellen 10 dargestellt sind.
  • Jede Brennstoffzelle 10 weist eine Polymerelektrolytmembran 11 auf, welche aus einem elektrolytisch leitfähigen Polymermaterial besteht, insbesondere protonenleitfähig ist. Typischerweise benötigt das Polymermaterial zur Aufrechterhaltung seiner elektrolytischen Leitfähigkeit eine gewisse Feuchtigkeit. An beiden Flachseiten der Membran 11 grenzen jeweils eine Katalysatorschicht an, nämlich eine anodische Katalysatorschicht 12 sowie eine kathodische Katalysatorschicht 13. Die Katalysatorschichten 12 und 13 umfassen ein katalytisches Material, bei dem es sich typischerweise um ein Edelmetall, insbesondere Platin, handelt. Üblicherweise umfassen die Katalysatorschichten 12, 13 ferner ein poröses, elektrisch leitfähiges Trägermaterial, auf dem das katalytische Material fein dispergiert vorliegt, beispielsweise ein kohlenstoffbasiertes Material. Die Katalysatorschichten 12, 13 können weitere Bestandteile umfassen, beispielsweise polymere Bindermaterialien und dergleichen mehr.
  • An jede Katalysatorschicht 12, 13 schließt jeweils eine Gasdiffusionsschicht (GDL) 14 an. Die GDL umfasst ein von Fluiden durchströmbares Material, das ebenfalls elektrisch leitfähig ist. Beispielsweise umfasst die GDL 14 ein kohlenstoffbasiertes Schaumstoff- oder Papiermaterial. Das Gefüge aus Membran 11, den Katalysatorschichten 12, 13 sowie den Gasdiffusionslagen 14 wird auch als Membran-Elektroden-Einheit 15 bezeichnet, wobei die Zuordnung der Gasdiffusionslagen 14 zu der Membran-Elektroden-Einheit 15 in der Literatur uneinheitlich ist.
  • Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten 15 ist jeweils eine Bipolarplatte 16, auch als Strömungsfeldplatte oder Flussfeldplatte bezeichnet, angeordnet. Die Bipolarplatte 16 weist auf ihrer Anodenseite Anodenströmungskanäle 17 auf, durch welche der anodischen Katalysatorschicht 12 ein Anodenbetriebsmittel (Brennstoff), insbesondere Wasserstoff, zugeführt wird. Ferner weist die Bipolarplatte 16 auf ihrer Kathodenseite Kathodenströmungskanäle 18 auf, durch welche der kathodischen Katalysatorschicht 13 ein Kathodenbetriebsgas zugeführt wird, bei dem es sich üblicherweise um ein sauerstoffhaltiges Gas, zumeist Luft, handelt. Üblicherweise weist die Bipolarplatte 16 ferner hier nicht dargestellte interne Kühlmittelkanäle auf, durch die ein Kühlmittel zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels 100 geleitet werden kann. Die Bipolarplatte 16 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, beispielsweise einem Metall, einer Metalllegierung, Graphit oder einem elektrisch leitfähigen Polymermaterial oder Polymerkompositmaterial. Die Bipolarplatte 16 vereinigt somit die Funktionen der Betriebsmittelversorgung, der Kühlung sowie der elektrischen Anbindung der katalytischen Elektroden 12, 13 an einen äußeren Stromkreis.
  • Üblicherweise ist eine Vielzahl derartiger Einzelzellen 10 in einem Brennstoffzellenstapel 100 angeordnet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Für elektromobile Anwendungen umfassen Brennstoffzellenstapel 100 typischerweise mehrere hundert Einzelzellen 10.
  • Die Katalysatorschichten 12 und 13 können einerseits als Beschichtung auf der Membran 11 vorliegen. Man spricht in diesem Fall auch von einer katalytisch beschichteten Membran oder CCM (für catalytic coated membrane), die in 1 insgesamt mit 19 bezeichnet ist. Alternativ können die Katalysatorschichten 12 und 13 als Beschichtung der Gasdiffusionsschichten 14 vorliegen, sodass diese dann als Gasdiffusionselektroden bezeichnet werden. Denkbar ist jedoch auch, dass die Katalysatorschichten 12 und 13 als eigenständige selbsttragende Schichten ausgebildet sind. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine katalytisch beschichtete Membran 19 bevorzugt.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Membran-Elektroden-Einheit 15 im Querschnitt nach dem Stand der Technik. Die Membran-Elektroden-Einheit 15 umfasst eine Polymerelektrolytmembran 11. An diese grenzt eine Elektrode 12, 13 an. In der vorliegenden Darstellung liegt die Elektrode als auf der Membran 11 angeordnete Katalysatorschicht 12, 13 auf der Membran 11 vor, sodass es sich vorliegend um eine katalytisch beschichtete Membran (CCM) handelt. Die Katalysatorschicht 12, 13 weist an der von der Membran 11 abgewandten Seite eine unebene Oberfläche 22 auf. An diese Oberfläche grenzt die Gasdiffusionsschicht 14 unmittelbar an, sodass die katalytisch beschichtete Membran 11 und die Gasdiffusionsschicht 14 miteinander in Kontakt stehen. Die Gasdiffusionsschicht 14 ist nach dem Stand der Technik als im Wesentlichen ebene Schicht eines elektrisch leitfähigen Materials ausgebildet. Daher besteht der Kontakt zwischen Gasdiffusionsschicht 14 und Membran 11 aus einer begrenzten Anzahl von Kontaktpunkten 23.
  • 3 zeigt den Querschnitt des Aufbaus einer Membran-Elektroden-Einheit 15 nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Sie umfasst eine Membran 11 mit einer katalytischen Beschichtung 12, 13. An die katalytische Beschichtung grenzt eine erfindungsgemäße Gasdiffusionsschicht 30 an. Diese umfasst eine Schicht eines elektrisch leitfähigen pulverförmigen Materials, wie beispielsweise Graphitpulver oder Ruß. In der gezeigten Ausführungsform besteht die Gasdiffusionsschicht 30 aus dieser Schicht. In anderen nicht gezeigten Ausführungsformen kann die Gasdiffusionsschicht 30 auch weitere Bestandteile, wie beispielsweise eine Deckschicht, insbesondere in Form eines elektrisch leitfähigen Gewebes oder Schaums, aufweisen.
  • Die gezeigte Gasdiffusionsschicht 30 ist aus Partikeln 35 unterschiedlicher Größe zusammengesetzt. Dabei decken die Partikelgrößen einen möglichst breiten Bereich ab. Bevorzugt weisen die Partikel 35 Partikelgrößen im Bereich von 10 nm bis 1000 µm auf. Damit sind die Partikel zumindest im unteren Bereich kleiner als die Unregelmäßigkeiten der Membranoberfläche. Die Anzahl der Kontaktpunkte zwischen Membran 11 und Gasdiffusionsschicht 30 ist somit gegenüber der 2 um ein Vielfaches erhöht.
  • In der gezeigten Ausführungsform liegen die Partikel jedoch nicht gleichverteilt vor, vielmehr ist die Gasdiffusionsschicht 30 aus mehreren Chargen von elektrisch leitfähigen Partikeln 35 zusammengesetzt. Die Chargen bestehen vorzugsweise aus dem gleichen Material, unterscheiden sich jedoch in ihrer mittleren Partikelgröße. Vorliegend können drei Chargen, eine mit großen Partikeln 31, eine mit mittleren Partikeln 32 und eine mit kleinsten Partikeln 33 unterschieden werden. Diese können entweder durchmischt oder, wie gezeigt, in Schichten angeordnet sein.
  • Unabhängig davon, ob die Partikel 35 bezogen auf ihren Partikeldurchmesser chargenweise oder gleichverteilt vorliegen, ist es von Vorteil, wenn sie derart in der Gasdiffusionsschicht 30 angeordnet sind, dass sich ein Gradient der Partikelgröße ausbildet. Dabei ist besonders bevorzugt, wenn die kleinsten Partikel 33 an der Oberfläche der katalytisch beschichteten Membran 11, genauer an der Grenzfläche zur katalytischen Beschichtung 12, 13, angeordnet sind und die größten Partikel 31 an der von der Membran abgewandten Seite der Gasdiffusionsschicht eine abschließende Oberfläche bilden.
  • Die Verteilung der Partikel 35 unterschiedlicher Größen beeinflusst die Ausbildung von Hohlräumen 36, Kanälen und Poren zwischen den Partikeln. Sind die unterschiedlichen Partikel 35 in Schichten gleicher Partikelgrößen angeordnet, so nimmt der Durchmesser der Hohlräume 36 mit zunehmender Partikelgröße zu. Bei gradueller Anordnung der Partikel 35 entsteht somit ein Porengradient in der Gasdiffusionsschicht 30. Die Hohlräume 36 können zusätzlich durch geeignete Materialien und/oder durch später verdampfende Zusätze beeinflusst und damit die Porosität der Gasdiffusionsschicht 30 gezielt eingestellt werden.
  • Zur Fixierung der Partikel 35 weist die Gasdiffusionsschicht 30 ferner thermoplastische Binder auf und/oder ist im Stapel verpresst.
  • Die erfindungsgemäße Gasdiffusionsschicht 30 bewirkt einen höheren Wirkungsgrad der Membran-Elektroden-Einheit 15. Dies wird durch die Erhöhung der Kontaktfläche zwischen katalytischer Beschichtung 12, 13 der Membran 11 und der Gasdiffusionsschicht 30 erzielt, da dies zur Reduktion der Kontaktwiderstände führt. Zudem verbessert die Ausbildung eines Porengradienten den Austrag von Produktwasser und somit das Wassermanagement, was sich ebenfalls positiv auf den Wirkungsgrad und die Lebenszeit der späteren Brennstoffzelle auswirkt.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Brennstoffzellenstapel
    10
    Brennstoffzelle (Einzelzelle)
    11
    Polymerelektrolytmembran
    12
    katalytische Schicht / anodische Katalysatorschicht / Anode
    13
    katalytische Schicht / kathodische Katalysatorschicht / Kathode
    14
    Gasdiffusionsschicht
    15
    Membran-Elektroden-Einheit
    15‘
    Membran-Elektroden-Einheit nach dem Stand der Technik
    16
    Bipolarplatte
    17
    Anodenströmungskanäle
    18
    Kathodenströmungskanäle
    19
    katalytisch beschichtete Membran
    22
    Oberfläche katalytische Schicht
    23
    Kontaktpunkte zwischen Membran/Gasdiffusionsschicht
    30
    erfindungsgemäße Gasdiffusionsschicht
    31
    große Partikel
    32
    mittlere Partikel
    33
    kleinste Partikel
    35
    Partikel der Gasdiffusionsschicht
    36
    Hohlräume
    S
    Stapelrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10052223 A1 [0006]
    • DE 19721952 [0007]

Claims (10)

  1. Membran-Elektroden-Einheit (15) für eine Brennstoffzelle (10), umfassend eine Membran (11), an welcher beidseits eine katalytische Schicht (12, 13) und daran eine Gasdiffusionsschicht (30) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht (30) eine Schicht mit elektrisch leitfähigen Partikeln (35) umfasst oder aus einer solchen Schicht besteht, und ein Teil der Partikel (35) unmittelbar an die katalytische Schicht (12, 13) angrenzend angeordnet ist.
  2. Membran-Elektroden-Einheit (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Partikel (35) eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 10 bis 1000 µm aufweisen.
  3. Membran-Elektroden-Einheit (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (35) unterschiedliche Partikelgrößen, insbesondere mit einer Varianz im Bereich von 100 bis 500 µm über den gesamten Partikelbereich, aufweisen.
  4. Membran-Elektroden-Einheit (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (35) mindestens zwei Chargen (31, 32, 33) umfassen, jeweils aufweisend eine mittlere Partikelgröße, und sich die mindestens zwei mittleren Partikelgrößen um mindestens eine Fehlerbreite voneinander unterscheiden.
  5. Membran-Elektroden-Einheit (15) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (35) in Form eines Gradienten der Partikelgrößen angeordnet sind, welcher senkrecht zur Membranoberfläche verläuft.
  6. Membran-Elektroden-Einheit (15) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Partikelgröße sich stufenweise in Richtung der katalytischen Schicht (12, 13) verändert.
  7. Membran-Elektroden-Einheit (15) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Partikelgröße der Partikel (35) in Richtung der katalytischen Schicht (12, 13) abnimmt.
  8. Membran-Elektroden-Einheit (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (35) ein Graphitpulver sind oder ein solches umfassen.
  9. Membran-Elektroden-Einheit (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht (30) auf der von der Membran (11) abgewandten Seite eine Deckschicht aufweist.
  10. Brennstoffzelle (10) aufweisend eine Membran-Elektroden-Einheit (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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