DE102019212134A1 - Membrane electrode unit for a polymer electrolyte membrane fuel cell with a partial area of a membrane surface free of a catalyst layer of a proton-conducting membrane of the membrane electrode unit - Google Patents

Membrane electrode unit for a polymer electrolyte membrane fuel cell with a partial area of a membrane surface free of a catalyst layer of a proton-conducting membrane of the membrane electrode unit Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit (10) für eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (100), wobei die Membran-Elektroden-Einheit (10) eine protonenleitende Membran (1), eine auf einer ersten Membran-Oberfläche (2) der Membran (1) angeordnete erste Katalysatorschicht (5) mit einem ersten katalytisch aktiven Material und eine auf einer der ersten Membran-Oberfläche (2) gegenüberliegenden zweiten Membran-Oberfläche (3) der Membran (1) angeordnete zweite Katalysatorschicht (6) mit einem zweiten katalytisch aktiven Material aufweist, wobei die erste Membran-Oberfläche (2) und/oder die zweite Membran-Oberfläche (3) zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche (4) aufweist, wobei die zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche (4) zumindest 3% der ersten Membran-Oberfläche (2) und/oder der zweiten Membran-Oberfläche (3) beträgt. Ferner betrifft die Erfindung eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (100) mit einer solchen Membran-Elektroden-Einheit (10).The invention relates to a membrane electrode unit (10) for a polymer electrolyte membrane fuel cell (100), the membrane electrode unit (10) being a proton-conducting membrane (1), one on a first membrane surface ( 2) the membrane (1) arranged first catalyst layer (5) with a first catalytically active material and a second catalyst layer (6) arranged on a second membrane surface (3) of the membrane (1) opposite the first membrane surface (2) with a second catalytically active material, the first membrane surface (2) and / or the second membrane surface (3) having at least one partial area (4) free of catalyst layer, the at least one partial area (4) free of catalyst layer having at least 3% of the first membrane surface (2) and / or the second membrane surface (3). The invention also relates to a polymer electrolyte membrane fuel cell (100) with such a membrane electrode unit (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit für eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle, wobei die Membran-Elektroden-Einheit eine protonenleitende Membran, eine auf einer ersten Membran-Oberfläche der Membran angeordnete erste Katalysatorschicht mit einem ersten katalytisch aktiven Material und eine auf einer der ersten Membran-Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Membran-Oberfläche der Membran angeordnete zweite Katalysatorschicht mit einem zweiten katalytisch aktiven Material aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Einheit.The invention relates to a membrane electrode unit for a polymer electrolyte membrane fuel cell, the membrane electrode unit having a proton-conducting membrane, a first catalyst layer with a first catalytically active material and a first catalyst layer arranged on a first membrane surface of the membrane having a second catalyst layer with a second catalytically active material arranged on a second membrane surface of the membrane opposite the first membrane surface. The invention also relates to a polymer electrolyte membrane fuel cell with a membrane electrode unit.

Stand der TechnikState of the art

Die DE 11 2011 102 754 T5 beschreibt eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle und geht von der Problemstellung einer ungleichmäßigen Verteilung des Wassergehalts innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran aus. Dieses Problem wird durch eine Ermittlung von lokalen Konzentrationen von Leistungserzeugungen, die auf die ungleichmäßige Verteilung des Wassergehaltes zurückzuführen sind, und eine entsprechende Steuerung von Brenngas und/oder Oxidationsgas gelöst.The DE 11 2011 102 754 T5 describes a polymer electrolyte membrane fuel cell and is based on the problem of an uneven distribution of the water content within the plane of the electrolyte membrane. This problem is solved by determining local concentrations of power generation, which can be attributed to the uneven distribution of the water content, and a corresponding control of fuel gas and / or oxidizing gas.

Zur Erreichung einer ausreichenden und homogenen Befeuchtung werden im Stand der Technik ferner externe Befeuchter eingesetzt, die die zugeführte Luft befeuchten, um dadurch hohe Stromdichten und Spannungen der Brennstoffzelle zu erreichen.In order to achieve adequate and homogeneous humidification, external humidifiers are also used in the prior art, which humidify the air supplied in order to achieve high current densities and voltages in the fuel cell.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit für eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle, wobei die Membran-Elektroden-Einheit eine protonenleitende Membran, eine auf einer ersten Membran-Oberfläche der Membran angeordnete erste Katalysatorschicht mit einem ersten katalytisch aktiven Material und eine auf einer der ersten Membran-Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Membran-Oberfläche der Membran angeordnete zweite Katalysatorschicht mit einem zweiten katalytisch aktiven Material aufweist, wobei die erste Membran-Oberfläche und/oder die zweite Membran-Oberfläche zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche aufweist, wobei die zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche zumindest 3% der ersten Membran-Oberfläche und/oder der zweiten Membran-Oberfläche beträgt.The invention relates to a membrane electrode unit for a polymer electrolyte membrane fuel cell, the membrane electrode unit having a proton-conducting membrane, a first catalyst layer with a first catalytically active material and a first catalyst layer arranged on a first membrane surface of the membrane has a second catalyst layer with a second catalytically active material arranged on a second membrane surface of the membrane opposite the first membrane surface, wherein the first membrane surface and / or the second membrane surface has at least one catalyst layer-free partial area, the at least one catalyst layer-free Partial area is at least 3% of the first membrane surface and / or the second membrane surface.

Die erfindungsgemäße katalysatorschichtfreie Teilfläche dient ausschließlich einem Transport von Wasser zur Angleichung der Feuchtigkeit zwischen der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht. Die erfindungsgemäße katalysatorschichtfreie Teilfläche senkt zwar einerseits die Leistungsdichte der Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit, denn für die Funktion der Brennstoffzelle ist nur der Teil mit dem katalytisch aktiven Material der Brennstoffzelle maßgeblich. Andererseits kann dadurch eine gute Befeuchtung auch ohne einen externen Befeuchter oder andere kostenintensive und Bauraum benötigende Maßnahmen erzielt werden. Zusätzlich wird katalytisch aktives Material eingespart, welches bei einem Mangel an Feuchtigkeit in einem Bereich der Membran nicht die gewünschte Leistung bringen kann. Als katalytisch aktive Materialien können dabei zumindest teilweise Edelmetalle, insbesondere Platin, eingesetzt werden. Diese sind aufgrund ihres seltenen Vorkommens sehr teuer. Eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit ist daher auch kosteneffizient.The partial area free from the catalyst layer according to the invention is used exclusively to transport water for equalizing the moisture between the first catalyst layer and the second catalyst layer. On the one hand, the partial surface free of the catalyst layer according to the invention lowers the power density of the polymer electrolyte membrane fuel cell with a membrane electrode unit according to the invention, because only the part with the catalytically active material of the fuel cell is relevant for the function of the fuel cell. On the other hand, good humidification can also be achieved without an external humidifier or other cost-intensive measures that require installation space. In addition, catalytically active material is saved, which cannot achieve the desired performance if there is a lack of moisture in one area of the membrane. Noble metals, in particular platinum, can at least partially be used as catalytically active materials. Due to their rare occurrence, these are very expensive. A membrane-electrode unit according to the invention is therefore also cost-effective.

Die zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche ist eine Teilfläche der ersten Membran-Oberfläche und/oder der zweiten Membran-Oberfläche, an der weder das katalytisch aktive Material der ersten Katalysatorschicht noch das katalytisch aktive Material der zweiten Katalysatorschicht, insbesondere gar kein katalytisch aktives Material, angeordnet ist.The at least one partial area free of catalyst layer is a partial area of the first membrane surface and / or the second membrane surface on which neither the catalytically active material of the first catalyst layer nor the catalytically active material of the second catalyst layer, in particular no catalytically active material at all, is arranged .

Insbesondere kann die erste Membran-Oberfläche eine erste katalysatorschichtfreie Teilfläche und die zweite Membran-Oberfläche eine zweite katalysatorschichtfreie Teilfläche aufweisen. Die erste katalysatorschichtfreie Teilfläche und die zweite katalysatorschichtfreie Teilfläche können sich, insbesondere flächendeckend, gegenüberliegen. Die erste katalysatorschichtfreie Teilfläche und die zweite katalysatorschichtfreie Teilfläche können gleich groß sein. Die erste katalysatorschichtfreie Teilfläche und die zweite katalysatorschichtfreie Teilfläche können gegenüber voneinander, und insbesondere parallel zueinander, angeordnet sein.In particular, the first membrane surface can have a first partial area free of catalyst layer and the second membrane surface can have a second partial area free of catalyst layer. The first partial area free of catalyst layer and the second partial area free of catalyst layer can lie opposite one another, in particular covering the entire area. The first partial area free of catalyst layer and the second partial area free from catalyst layer can be of the same size. The first partial area free of catalyst layer and the second partial area free of catalyst layer can be arranged opposite one another, and in particular parallel to one another.

Die erste Membran-Oberfläche und die zweite Membran-Oberfläche können insbesondere gleich groß sein. Die erste Katalysatorschicht kann die Anode und die zweite Katalysatorschicht die Kathode, oder umgekehrt, bilden.The first membrane surface and the second membrane surface can in particular be of the same size. The first catalyst layer can form the anode and the second catalyst layer the cathode, or vice versa.

Insbesondere kann die erste Membran-Oberfläche und/oder die zweite Membran-Oberfläche jeweils zwei katalysatorschichtfreie Teilflächen aufweisen. Entsprechend sind die katalysatorschichtfreien Teilflächen voneinander durch die erste Katalysatorschicht oder die zweite Katalysatorschicht getrennt.In particular, the first membrane surface and / or the second membrane surface can each have two catalyst-layer-free partial areas. Correspondingly, the partial areas free of the catalyst layer are separated from one another by the first catalyst layer or the second catalyst layer.

Ferner insbesondere kann die zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche zumindest 5%, besonders zumindest 7% und ganz besonders zumindest 10% der ersten Membran-Oberfläche und/oder der zweiten Membran-Oberfläche betragen. Es wurde festgestellt, dass bei diesen Werten ein sehr guter Feuchtigkeitsausgleich der Membran erzielt wird.Furthermore, in particular, the at least one partial area free of a catalyst layer can be at least 5%, particularly at least 7% and very particularly at least 10% of the first membrane surface and / or the second membrane surface. It was found that with these values a very good moisture balance of the membrane is achieved.

Vorzugsweise beträgt die zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche höchstens 20%, insbesondere höchstens 16% und ferner insbesondere höchstens 13% der ersten Membran-Oberfläche und/oder der zweiten Membran-Oberfläche. Es wurde festgestellt, dass bis zu diesen Höchstgrenzen ein guter Kompromiss zwischen Feuchtigkeitsausgleich und Leistung der Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle erreicht werden kann.The at least one partial area free from the catalyst layer is preferably at most 20%, in particular at most 16% and furthermore in particular at most 13% of the first membrane surface and / or the second membrane surface. It was found that a good compromise between moisture balance and performance of the polymer electrolyte membrane fuel cell can be achieved up to these maximum limits.

Ferner vorzugsweise befindet sich die zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche an einem Gaseintritts- und/oder Gasaustrittsbereich der Membran-Elektroden-Einheit. Besonders vorzugsweise befindet sich eine katalysatorschichtfreie Teilfläche an einem Gaseintrittsbereich der Membran-Elektroden-Einheit und eine katalysatorschichtfreie Teilfläche an einem Gasaustrittsbereich der Membran-Elektroden-Einheit. Der Gaseintrittsbereich und der Gasaustrittsbereich beziehen sich auf den Eintritt und Austritt von Wasserstoff, Luft und ggf. Kühlmittel in und aus der Membran-Elektroden-Einheit. Entsprechend können die Gaseintrittsbereiche und Gasaustrittsbereiche auch als Ein- und Austrittsbereiche der Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle bezeichnet werden. Es wurde nämlich festgestellt, dass in den Eintritts- und Austrittsbereichen hinsichtlich des Feuchtegehalts der Membran kritische Bereiche bestehen, die durch Ausbildung der katalysatorschichtfreien Teilflächen in diesen Bereichen besonders gut hinsichtlich ihrer Befeuchtung verbessert werden können.Furthermore, the at least one partial area free of a catalyst layer is preferably located on a gas inlet and / or gas outlet area of the membrane-electrode unit. Particularly preferably, a partial area free of a catalyst layer is located on a gas inlet area of the membrane-electrode unit and a partial area free of catalyst layer is located in a gas outlet area of the membrane-electrode unit. The gas inlet area and the gas outlet area relate to the entry and exit of hydrogen, air and possibly coolant into and out of the membrane-electrode unit. Correspondingly, the gas inlet areas and gas outlet areas can also be referred to as inlet and outlet areas of the polymer electrolyte membrane fuel cell. It was found that in the inlet and outlet areas there are critical areas with regard to the moisture content of the membrane, which can be improved particularly well with regard to their humidification by forming the partial areas free of catalyst layers in these areas.

Bevorzugt ist zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche rechteckig. Dies erleichtert die Fertigung der Membran-Elektroden-Einheit und hat sich als vorteilhaft bei der Durchströmung der Membran mit Wasser herausgestellt.At least one partial area free of a catalyst layer is preferably rectangular. This facilitates the manufacture of the membrane-electrode unit and has proven to be advantageous when water flows through the membrane.

Ebenfalls bevorzugt erstreckt sich zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche entlang einer gesamten Breite der Membran. Auch dies erleichtert die Fertigung der Membran-Elektroden-Einheit und hat sich als vorteilhaft bei der Durchströmung der Membran mit Wasser herausgestellt.Likewise preferably, at least one partial area free of a catalyst layer extends along an entire width of the membrane. This also facilitates the production of the membrane-electrode unit and has proven to be advantageous when water flows through the membrane.

Ferner bevorzugt befindet sich zumindest eine der zumindest einen katalysatorschichtfreien Fläche an einem von zwei gegenüberliegenden Längsenden der Membran. Durch eine längserstreckte Membran mit katalysatorschichtfreier Fläche an zumindest einem der Längsenden ergibt sich ein sehr guter Ausgleich an Feuchtigkeit in eine Strömungsrichtung entlang der Länge der Membran.Furthermore, at least one of the at least one catalyst layer-free surface is preferably located on one of two opposite longitudinal ends of the membrane. An elongated membrane with a catalyst layer-free surface on at least one of the longitudinal ends results in a very good balance of moisture in a flow direction along the length of the membrane.

Dabei ist insbesondere bevorzugt, dass sich zwei katalysatorschichtfreie Teilflächen an jeweils gegenüberliegenden Längsenden der Membran befinden. It is particularly preferred here that two partial areas free of a catalyst layer are located on opposite longitudinal ends of the membrane.

Dadurch wird die Feuchtigkeitsverteilung entlang der gesamten Länge der Membran verbessert.This improves the moisture distribution along the entire length of the membrane.

Vorteilhafterweise erstreckt sich zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche zumindest über 3% einer Länge der Membran von einem der sich gegenüberliegenden Längsenden. Insbesondere kann sich die zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche zumindest über 5%, besonders über zumindest 7% und ganz besonders über zumindest 10% einer Länge der Membran von einem der sich gegenüberliegenden Längsenden erstrecken.Advantageously, at least one partial area free of a catalyst layer extends at least over 3% of a length of the membrane from one of the opposite longitudinal ends. In particular, the at least one partial area free of catalyst layer can extend at least over 5%, in particular over at least 7% and very particularly over at least 10% of a length of the membrane from one of the opposite longitudinal ends.

Bei zwei sich an jeweils gegenüberliegenden Längsenden der Membran befindlichen katalysatorschichtfreien Teilflächen können sich die katalysatorschichtfreien Teilflächen über dieselbe Länge der Membran von ihrem jeweiligen Längsende oder von unterschiedlichen Längen erstrecken. Unterschiedliche Längen haben den Vorteil, dass hier gezielt ein Längsende mit einem aufgrund der herrschenden Gegebenheiten erhöhten Feuchtigkeitsbedarf mit einer größeren katalysatorschichtfreien Teilfläche ausgebildet werden kann, während das diesem gegenüberliegende Längsende zur Bereitstellung einer dennoch möglichst hohen Leistung mit einer kleineren katalysatorschichtfreien Teilfläche ausgebildet werden kann.In the case of two partial surfaces free of catalyst layer located at opposite longitudinal ends of the membrane, the partial surfaces free of catalyst layer can extend over the same length of the membrane from their respective longitudinal ends or of different lengths. Different lengths have the advantage that here a longitudinal end with an increased moisture requirement due to the prevailing conditions can be designed with a larger partial area free of catalyst layer, while the longitudinal end opposite this can be designed with a smaller partial area free of catalyst layer to provide the highest possible output.

Ferner vorteilhafterweise erstreckt sich die zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche höchstens über 20% der Länge der Membran von einem der sich gegenüberliegenden Längsenden. Insbesondere kann sich die zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche über höchstens 16%, besonders über höchstens 13% einer Länge der Membran von einem der sich gegenüberliegenden Längsenden erstrecken. Es wurde festgestellt, dass bis zu diesen Höchstgrenzen ein guter Kompromiss zwischen Feuchtigkeitsausgleich und Leistung der Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle erreicht werden kann.Furthermore, the at least one partial area free of catalyst layer advantageously extends at most over 20% of the length of the membrane from one of the opposite longitudinal ends. In particular, the at least one partial area free of a catalyst layer can extend over a maximum of 16%, in particular over a maximum of 13% of a length of the membrane from one of the opposite longitudinal ends. It was found that a good compromise between moisture balance and performance of the polymer electrolyte membrane fuel cell can be achieved up to these maximum limits.

Auch vorteilhaft ist es, wenn die zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche als eine Eckfläche an der Membran ausgebildet ist. Eine Eckfläche in diesem Sinne befindet sich in einer Ecke der Membran und erstreckt sich von den beiden Seiten an der Ecke der Membran zwar in das Innere der Membran jedoch bis zu keiner der diesen beiden Seiten gegenüberliegenden Seiten. Dies hat sich als vorteilhaft bei einer für einen Kreuzstrom ausgebildeten Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle herausgestellt.It is also advantageous if the at least one partial area free of catalyst layer is designed as a corner area on the membrane. A corner surface in this sense is located in a corner of the membrane and extends from the two sides at the corner of the membrane into the interior of the membrane, but to none of the sides opposite these two sides. This has proven to be advantageous in a polymer electrolyte membrane fuel cell designed for a cross flow.

Die Erfindung betrifft ferner eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit.The invention also relates to a polymer electrolyte membrane fuel cell with a membrane electrode unit according to the invention.

Anhand der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Figur hervorgehenden Merkmale, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, können sowohl für sich als auch in den beliebigen verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen jeweils schematisch:

  • 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Polymer-Elektrolyt-Mem bran-Bren nstoffzelle,
  • 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit im Gegenstrom,
  • 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit im Gegenstrom,
  • 4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit im Gegenstrom, und
  • 5 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit im Kreuzstrom.
The invention is explained in more detail below with the aid of the accompanying drawing. All of the features emerging from the claims, the description or the figure, including constructional details, can be essential to the invention both individually and in any various combinations. They each show schematically:
  • 1 an embodiment of a polymer electrolyte membrane fuel cell according to the invention,
  • 2 a first embodiment of a membrane electrode unit according to the invention in countercurrent,
  • 3 a second embodiment of a membrane-electrode unit according to the invention in countercurrent,
  • 4th a third embodiment of a membrane-electrode unit according to the invention in countercurrent, and
  • 5 a fourth embodiment of a membrane electrode unit according to the invention in cross flow.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 5 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.Elements with the same function and mode of operation are in the 1 to 5 each provided with the same reference numerals.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle 100 mit einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit 10. Die Membran-Elektroden-Einheit 10 kann dabei beispielsweise gemäß einem der Ausführungsbeispiele nach 2 bis 5 ausgebildet sein und wird im Folgenden mit Bezug auf die 2 bis 5 näher beschrieben. Neben der Membran-Elektroden-Einheit 10 sind jeweils eine Gasdiffusionslage 21, 22 und jeweils eine Bipolarplatte 31, 32 angeordnet. 1 shows an embodiment of a polymer electrolyte membrane fuel cell according to the invention 100 with a membrane-electrode unit according to the invention 10 . The membrane-electrode unit 10 can for example according to one of the exemplary embodiments 2 to 5 be designed and will be described below with reference to the 2 to 5 described in more detail. Next to the membrane-electrode unit 10 are each a gas diffusion layer 21st , 22nd and one bipolar plate each 31 , 32 arranged.

2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit 10 im Gegenstrom. Die Membran-Elektroden-Einheit 10 weist eine Membran 1 mit einer ersten Membran-Oberfläche 2 und einer zweiten Membran-Oberfläche 3 auf. Auf der ersten Membran-Oberfläche 2 ist eine erst Katalysatorschicht 5 angeordnet. Auf der zweiten Membran-Oberfläche 3 ist eine zweite Katalysatorschicht 6 angeordnet. Die erste Katalysatorschicht 5 und die zweite Katalysatorschicht 6 weisen zumindest ein katalytisch aktives Material, beispielsweise Platin, auf. Die erste Katalysatorschicht 5 ist als Kathode eingerichtet und die zweite Katalysatorschicht 6 ist als Anode eingerichtet. Entlang eines ersten Strömungsfeldes 11 (Flowfield) der ersten Katalysatorschicht 5 strömt entsprechend Luft oder Sauerstoff (O2) und im Gegenstrom hierzu strömt entlang eines zweiten Strömungsfeldes 12 der zweiten Katalysatorschicht 6 entsprechend Wasserstoff (H2). 2 shows a first embodiment of a membrane electrode assembly according to the invention 10 in countercurrent. The membrane-electrode unit 10 has a membrane 1 with a first membrane surface 2 and a second membrane surface 3 on. On the first membrane surface 2 is a first catalyst layer 5 arranged. On the second membrane surface 3 is a second catalyst layer 6th arranged. The first catalyst layer 5 and the second catalyst layer 6th have at least one catalytically active material, for example platinum. The first catalyst layer 5 is set up as a cathode and the second catalyst layer 6th is set up as an anode. Along a first flow field 11 (Flowfield) of the first catalyst layer 5 air or oxygen (O 2 ) flows accordingly and in countercurrent to this flows along a second flow field 12 the second catalyst layer 6th corresponding to hydrogen (H 2 ).

An Gaseintritts- und Gasaustrittsbereichen des Sauerstoffs und Wasserstoffs der ersten Katalysatorschicht 5 bzw. des ersten Strömungsfeldes 11 und der zweiten Katalysatorschicht 6 bzw. des zweiten Strömungsfeldes 12 sind katalysatorschichtfreie Teilflächen 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 an der Membran 1 ausgebildet, die dem Feuchtigkeitsausgleich dienen. Die Gaseintritts- und Gasaustrittsbereiche befinden sich zugleich an Längsenden 7, 8 der länglich ausgebildeten Membran 1. Die katalysatorschichtfreien Teilflächen 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 weisen jeweils eine gewisse Länge L4.1., L4.2, L4.3, L4.4 in Längserstreckungsrichtung der Membran 1 auf und erstrecken sich entlang einer gesamten Breite B der Membran 1.At the gas inlet and gas outlet areas of the oxygen and hydrogen of the first catalyst layer 5 or the first flow field 11 and the second catalyst layer 6th or the second flow field 12 are partial areas without a catalyst layer 4.1 , 4.2 , 4.3 , 4.4 on the membrane 1 formed, which serve to equalize moisture. The gas inlet and gas outlet areas are also located at the longitudinal ends 7th , 8th the elongated membrane 1 . The partial areas free of the catalyst layer 4.1 , 4.2 , 4.3 , 4.4 each have a certain length L 4.1. , L 4.2 , L 4.3 , L 4.4 in the longitudinal direction of the membrane 1 and extend along an entire width B of the membrane 1 .

3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit 10 im Gegenstrom. Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbreispiel aus 2 weist die Membran-Elektroden-Einheit 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nur zwei katalysatorschichtfreie Teilflächen 4.1, 4.2 an dem Längsende 7 der Membran 1 auf. 3 shows a second embodiment of a membrane-electrode unit according to the invention 10 in countercurrent. In contrast to the first exemplary embodiment 2 has the membrane-electrode assembly 10 according to the second exemplary embodiment, only two partial areas without a catalyst layer 4.1 , 4.2 at the longitudinal end 7th the membrane 1 on.

4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit 10 im Gegenstrom. Im Gegensatz zu dem zweiten Ausführungsbreispiel aus 3 weist die Membran-Elektroden-Einheit 10 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel nur zwei katalysatorschichtfreie Teilflächen 4.3, 4.4 an dem dem Längsende 7 gegenüberliegenden Längsende 8 der Membran 1 auf. 4th shows a third embodiment of a membrane-electrode unit according to the invention 10 in countercurrent. In contrast to the second exemplary embodiment 3 has the membrane-electrode assembly 10 according to the third exemplary embodiment, only two partial areas without a catalyst layer 4.3 , 4.4 at the the longitudinal end 7th opposite longitudinal end 8th the membrane 1 on.

5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit 10 mit dem ersten Strömungsfeld 11 im Kreuzstrom von Wasserstoff und Sauerstoff. Katalysatorschichtfreie Teilflächen 4 an der ersten Katalysatorschicht 5 und der zweiten Katalysatorschicht 5, die in dieser Darstellung nicht explizit dargestellt sind, sind in diesem vierten Ausführungsbeispiel an Eckflächen der Membran ausgebildet (gestrichelt dargestellt). 5 shows a fourth embodiment of a membrane electrode unit according to the invention 10 with the first flow field 11 in the cross-flow of hydrogen and oxygen. Partial areas free of catalyst layers 4th on the first catalyst layer 5 and the second catalyst layer 5 which are not explicitly shown in this illustration are formed in this fourth embodiment on corner surfaces of the membrane (shown in dashed lines).

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 112011102754 T5 [0002]DE 112011102754 T5 [0002]

Claims (10)

Membran-Elektroden-Einheit (10) für eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (100), wobei die Membran-Elektroden-Einheit (10) eine protonenleitende Membran (1), eine auf einer ersten Membran-Oberfläche (2) der Membran (1) angeordnete erste Katalysatorschicht (5) mit einem ersten katalytisch aktiven Material und eine auf einer der ersten Membran-Oberfläche (2) gegenüberliegenden zweiten Membran-Oberfläche (3) der Membran (1) angeordnete zweite Katalysatorschicht (6) mit einem zweiten katalytisch aktiven Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Membran-Oberfläche (2) und/oder die zweite Membran-Oberfläche (3) zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche (4) aufweist, wobei die zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche (4) zumindest 3% der ersten Membran-Oberfläche (2) und/oder der zweiten Membran-Oberfläche (3) beträgt.Membrane electrode unit (10) for a polymer electrolyte membrane fuel cell (100), the membrane electrode unit (10) having a proton-conducting membrane (1), one on a first membrane surface (2) of the membrane (1) arranged first catalyst layer (5) with a first catalytically active material and on one of the first membrane surface (2) opposite second membrane surface (3) of the membrane (1) arranged second catalyst layer (6) with a second catalytically having active material, characterized in that the first membrane surface (2) and / or the second membrane surface (3) has at least one catalyst layer-free partial area (4), the at least one catalyst layer-free partial area (4) at least 3% of the first Membrane surface (2) and / or the second membrane surface (3). Membran-Elektroden-Einheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche (4) höchstens 20% der ersten Membran-Oberfläche (2) und/oder der zweiten Membran-Oberfläche (3) beträgt.Membrane electrode assembly (10) Claim 1 , characterized in that the at least one partial area (4) free of catalyst layer is at most 20% of the first membrane surface (2) and / or the second membrane surface (3). Membran-Elektroden-Einheit (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche (4) sich an einem Gaseintritts- und/oder Gasaustrittsbereich der Membran-Elektroden-Einheit (10) befindet.Membrane electrode assembly (10) Claim 1 or 2 , characterized in that the at least one catalyst layer-free partial area (4) is located on a gas inlet and / or gas outlet area of the membrane-electrode unit (10). Membran-Elektroden-Einheit (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche (4) rechteckig ist.Membrane-electrode unit (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one partial surface (4) free of catalyst layer is rectangular. Membran-Elektroden-Einheit (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche (4) sich entlang einer gesamten Breite (B) der Membran (1) erstreckt.Membrane electrode unit (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one partial area (4) free of catalyst layer extends along an entire width (B) of the membrane (1). Membran-Elektroden-Einheit (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der zumindest einen katalysatorschichtfreien Fläche (4) sich an einem von zwei gegenüberliegenden Längsenden (7, 8) der Membran (1) befindet.Membrane-electrode unit (10) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the at least one catalyst layer-free surface (4) is located on one of two opposite longitudinal ends (7, 8) of the membrane (1). Membran-Elektroden-Einheit (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche (4) sich zumindest über 3% einer Länge (L) der Membran (1) von einem der sich gegenüberliegenden Längsenden (7, 8) erstreckt.Membrane electrode assembly (10) Claim 6 , characterized in that the at least one catalyst layer-free partial area (4) extends at least over 3% of a length (L) of the membrane (1) from one of the opposite longitudinal ends (7, 8). Membran-Elektroden-Einheit (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche (4) sich höchstens über 20% der Länge (L) der Membran von einem der sich gegenüberliegenden Längsenden (7, 8) erstreckt.Membrane electrode assembly (10) Claim 7 , characterized in that the at least one partial area (4) free of catalyst layer extends at most over 20% of the length (L) of the membrane from one of the opposite longitudinal ends (7, 8). Membran-Elektroden-Einheit (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine katalysatorschichtfreie Teilfläche (4) als eine Eckfläche an der Membran (1) ausgebildet ist.Membrane electrode unit (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one partial surface (4) free of catalyst layer is designed as a corner surface on the membrane (1). Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (100) mit einer Membran-Elektroden-Einheit (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche.Polymer electrolyte membrane fuel cell (100) with a membrane electrode unit (10) according to one of the preceding claims.
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