DE10260501A1 - Gas diffusion electrode for a fuel cell with a polymer electrolyte membrane has a layer containing hydrophilic non-hollow fibers for controlling the cross-diffusion of water - Google Patents

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Abstract

Gas diffusion electrode (2) comprises a gas diffusion layer (9, 11) and a catalyst layer (12) arranged on the surface of the electrode on the membrane side. The electrode has a layer (10) containing hydrophilic non-hollow fibers for controlling the cross-diffusion of water.

Description

Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Gasdiffusionselektroden, und zwar insbesondere eine Gasdiffusionselektrode für eine PEM-Brennstoffzelle, die eine Schicht zur Steuerung der Querdiffusion von Wasser aufweist.The invention relates to the technical Area of the gas diffusion electrodes, in particular a gas diffusion electrode for one PEM fuel cell, which is a layer for controlling the transverse diffusion of water.

Der prinzipielle Aufbau einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle – kurz PEM-BZ – ist wie folgt. Die PEM-BZ enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung – kurz MEA, die aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Polymer-Elektrolyt-Membran – kurz PEM – aufgebaut ist. Die MEA ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei eine Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Brennstoff aufweist und die andere Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel und wobei die Kanäle der MEA zugewandt sind. Die Elektroden, Anode und Kathode, sind im Allgemeinen als Gasdiffusionselektroden – kurz GDE – ausgebildet. Diese haben die Funktion, den bei der elektrochemischen Reaktion (z.B. 2 H2 + O2 → 2H2O) erzeugten Strom abzuleiten und die Reaktionsstoffe, Edukte und Produkte, durchdiffundieren zu lassen. Eine GDE besteht aus wenigstens einer Gasdiffusionsschicht bzw. Gasdiffusionslage – kurz GDL – und einer Katalysatorschicht, die der PEM zugewandt ist und an der die elektrochemische Reaktion abläuft .The basic structure of a polymer electrolyte membrane fuel cell - PEM-BZ short - is as follows. The PEM-BZ contains a membrane-electrode assembly - MEA short, which is composed of an anode, a cathode and an interposed polymer electrolyte membrane - PEM - constructed. In turn, the MEA is interposed between two separator plates, with one separator plate having fuel distribution channels and the other separator plate having channels for the distribution of oxidant and the channels facing the MEA. The electrodes, anode and cathode, are generally designed as gas diffusion electrodes - in short GDE. These have the function to dissipate the current generated during the electrochemical reaction (eg 2 H 2 + O 2 → 2H 2 O) and allow the reactants, educts and products to diffuse through. A GDE consists of at least one gas diffusion layer or gas diffusion layer - in short GDL - and a catalyst layer which faces the PEM and at which the electrochemical reaction takes place.

Eine derartige Brennstoffzelle kann bei relativ geringen Betriebstemperaturen elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen. Reale Brennstoffzellen sind meist zu so genannten Brennstoffzellenstapeln – kurz Stacks – gestapelt, um eine hohe Leistungsabgabe zu erzielen, wobei anstelle der monopolaren Separatorplatten bipolare Separatorplatten, so genannte Bipolarplatten, eingesetzt werden und monopolare Separatorplatten nur als Endplatten des Stacks.Such a fuel cell can at relatively low operating temperatures with electric current generate high power. Real fuel cells are usually too named fuel cell stacks - in short stacks - stacked, to achieve a high power output, using instead of the monopolar Separator plates bipolar separator plates, so-called bipolar plates, be used and monopolar separator plates only as end plates of the Stacks.

Als Reaktionsstoffe werden Brennstoffe und Oxidationsmittel eingesetzt. Meist werden gasförmige Reaktionsstoffe eingesetzt, z.B. H2 oder ein H2-haltiges Gas (z.B. Reformatgas) als Brennstoff und O2 oder ein O2-haltiges Gas (z.B. Luft) als Oxidationsmittel. Unter Reaktionsstoffe werden alle an der elektrochemischen Reaktion teilnehmenden Stoffe verstanden.The reactants used are fuels and oxidizing agents. Most gaseous reactants are used, for example H 2 or an H 2 -containing gas (eg reformate gas) as fuel and O 2 or an O 2 -containing gas (eg air) as the oxidant. Reactants are understood to be all substances participating in the electrochemical reaction.

Eine trockene PEM weist eine geringe Protonenleitfähigkeit auf. Um die PEM zu befeuchten werden daher die Reaktionsstoffe in der Regel befeuchtet, bevor sie einer PEM-Brennstoffzelle zugeführt werden. Der Nachteil der Befeuchtung besteht in dem damit verbundenen Aufwand und den zusätzlich erforderlichen Komponenten (Befeuchter), was dem Streben nach einem möglichst einfachen Betriebsverfahren und einer möglichst kompakten Bauart entgegensteht.A dry PEM has a low proton conductivity on. To moisten the PEM, therefore, the reactants in usually humidifies before being fed to a PEM fuel cell. The disadvantage of humidification is the associated expense and the additional required Components (humidifiers), what the pursuit of a possible opposes simple operating method and a compact design as possible.

Um mit PEM-Brennstoffzellen elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen zu können, wird eine möglichst gleichmäßige Befeuchtung der PEM angestrebt. De facto werden jedoch PEM im Allgemeinen nicht gleichmäßig befeuchtet, d.h. die PEM ist im Allgemeinen in einigen Bereichen feucht oder sogar zu feucht und in anderen Bereichen trocken oder sogar zu trocken. Der optimale thermodynamische Zustand für eine PEM, d.h. der thermodynamische Zustand, bei dem eine MEA ihre maximale Leistung bringen kann, liegt im Allgemeinen nur in wenigen Bereichen der PEM vor, oder sogar in keinem.To power electricity with PEM fuel cells to produce with high power, will one possible even moistening the PEM sought. De facto, however, PEMs are generally not evenly moistened, i.e. The PEM is generally moist in some areas or even too humid and in other areas dry or even too dry. The optimal thermodynamic state for a PEM, i. the thermodynamic State where an MEA can bring its maximum performance lies generally only in a few areas of PEM before, or even in none.

Dies kann wie folgt erklärt werden. Der thermodynamische Zustand des thermodynamischen Systems Brennstoffzelle lässt sich mit Hilfe von thermodynamischen Parametern beschreiben. Diese thermodynamischen Parameter sind im Falle einer Brennstoffzelle, die mit gasförmigen Reaktionsstoffen – kurz Reaktionsgasen – betrieben wird z.B.:

  • – der Gesamtdruck p in der Gasphase der Brennstoffzelle, der die Summe der Partialdrucke pi ist (p = Σipi);
  • – die Partialdrucke pi der Komponenten i der Gasphase, z.B. der Wasserdampf-Partialdruck pH2O, der H2-Partialdruck pH2 (wenn als Brennstoff H2 eingesetzt wird), der O2-Partialdruck pO2 (wenn als Oxidationsmittel O2 eingesetzt wird);
  • – die Temperatur.
This can be explained as follows. The thermodynamic state of the thermodynamic fuel cell system can be described by thermodynamic parameters. These thermodynamic parameters are in the case of a fuel cell, which is operated with gaseous reactants - in short reaction gases - for example:
  • The total pressure p in the gas phase of the fuel cell, which is the sum of the partial pressures p i (p = Σ i p i );
  • - The partial pressures p i of the components i of the gas phase, for example, the water vapor partial pressure p H2O , the H 2 partial pressure p H2 (when used as fuel H2), the O 2 partial pressure p O2 (when used as the oxidant O 2 );
  • - the temperature.

Diese thermodynamischen Parameter ändern sich infolge der elektrochemischen Reaktion, die in einer MEA abläuft, in Strömungsrichtung der Reaktionsstoffe entlang der MEA-Oberfläche. D.h. dass an jedem Punkt entlang einer MEA ein anderer thermodynamische Zustand vorliegen kann. Insgesamt sind also die thermodynamischen Bedingungen innerhalb einer Brennstoffzelle, insbesondere entlang einer MEA, inhomogen.These thermodynamic parameters change due to the electrochemical reaction occurring in an MEA, in flow direction the reactants along the MEA surface. That that at every point along a MEA another thermodynamic state exist can. Overall, therefore, the thermodynamic conditions are within a fuel cell, in particular along an MEA, inhomogeneous.

Herkömmliche MERs sind dagegen meist homogen ausgebildet, was seine Ursache in dem entsprechenden Herstellungsverfahren hat, und können daher nicht zu einer Homogenisierung der thermodynamischen Bedingungen beitragen, sodass die inhomogenen thermodynamischen Bedingungen durch die GDE einer MEA hindurch auch auf deren PEM wirken können.By contrast, conventional MERs are usually homogeneous trained, which has its cause in the corresponding manufacturing process, and can therefore not to a homogenization of the thermodynamic conditions contribute, so that the inhomogeneous thermodynamic conditions through the GDE of an MEA can also affect its PEM.

Inhomogene thermodynamische Bedingungen an einer PEM sind jedoch aus mehreren Gründen nachteilhaft. Beispielsweise nimmt der Partialdruck der Reaktionsstoffe infolge der elektrochemischen Reaktion in Strömungsrichtung ab, wodurch sich an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Reaktionsgeschwindigkeiten einstellen können, die wiederum zu unterschiedlichen Stromdichten und thermischen Gradienten führen können. Die Folge davon können Ausgleichströme und hot spots sowie lokal unterschiedliche Befeuchtungszustände der PEM sein, welche die Leistung einer MEA bzw. Brennstoffzelle nicht nur schmälern können, sondern die Brennstoffzelle auch physikalisch schädigen können.Inhomogeneous thermodynamic conditions however, at a PEM are disadvantageous for several reasons. For example takes the partial pressure of the reactants due to the electrochemical Reaction in the flow direction , resulting in different reaction rates at different locations can adjust which in turn leads to different current densities and thermal gradients to lead can. The consequence of this can equalizing currents and hot spots as well as locally different humidification states of the PEM not just the performance of an MEA or fuel cell belittle can, but also physically damage the fuel cell.

In der deutschen Patentanmeldung DE 197 09 199 A1 (Magnet-Motor) wird ein Austrocknen der PEM einer MEA dadurch verhindert, dass die effektive Diffusionskonstante von Wasser in Gasdiffusionselektroden derart herabgesetzt wird, dass die Diffusion von Wasserdampf von der Katalysatorschicht in den Gasraum entsprechend erschwert wird, während die notwendige Menge an Reaktionsgasen, die zum Erzielen einer gewünschten Stromdichte erforderlich ist, gerade noch den Katalysator erreichen kann. Die Verringerung der effektive Diffusionskonstante von Wasser wird dabei durch teilweises Verstopfen der Poren der Gasdiffusionselektrode erzielt. Vorzugsweise wird dabei unpolares, hydrophobes Material eingesetzt, weil derartiges Material für Wasser eine Barriere darstellt, nicht jedoch für die Reaktionsgase, insbesondere H2 oder O2. Derart beschaffene Gasdiffusionselektroden weisen jedoch mehrere Nachteile auf. So ist z.B. die Diffusion der Reaktionsgase auf jeden Fall eingeschränkt, auch wenn es sich dabei nur um eine geringfügige Einschränkung handelt, was sich nachteilhaft auf die Leistung der Elektrode bzw. einer damit ausgestatteten MEA auswirkt. Ferner birgt die eingeschränkte Diffusion von Wasser die Gefahr, dass die Elektrode unter ungünstigen Umständen geflutet wird, d.h. „absäuft". Auch bietet eine derartige Elektrode keine Lösung für das Problem, dass nur bestimmte Bereiche einer Elektrode von Austrocknung bedroht sind, während andere Bereiche der Elektrode von Flutung bedroht sind.In the German patent application DE 197 09 199 A1 (Magnetic motor) drying of the PEM of an MEA is prevented by the effective diffusion constant of water in gas diffusion electrodes is reduced so that the diffusion of water vapor from the catalyst layer into the gas space is made correspondingly difficult, while the necessary amount of reaction gases, the is required to achieve a desired current density, just can reach the catalyst. The reduction of the effective diffusion constant of water is achieved by partial clogging of the pores of the gas diffusion electrode. Preferably, non-polar, hydrophobic material is used because such material is a barrier to water, but not for the reaction gases, in particular H 2 or O 2 . However, such gas diffusion electrodes have several disadvantages. Thus, for example, the diffusion of the reaction gases is limited in any case, even if it is only a slight restriction, which adversely affects the performance of the electrode or a MEA equipped with it. Furthermore, the limited diffusion of water runs the risk of the electrode being flooded under unfavorable conditions, ie, "dripping." Also, such an electrode does not solve the problem that only certain areas of an electrode are threatened by dehydration, while other areas of the electrode Electrode are threatened by flooding.

In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10220400.4 wird eine Brennstoffzelle mit Elektroden beschrieben, in deren Aufbau eine Be- und Entwässerungslage integriert ist, die sowohl als Drainage als auch als Reservoir für das in der Brennstoffzelle auftretende Wasser wirkt. Die Be- und Entwässerungslage enthält vorzugsweise hydrophile Hohlfasern, die den Wassertransport bewerkstelligen. Die hydrophilen Hohlfasern sind vorzugsweise mit einem hydrophoben Material beschichtet. Sie sind ferner vorzugsweise so orientiert, dass sie nicht in die reaktionsstoffseitige, grobporöse Lage (makroporöse GDL) reichen.In the not previously published German patent application DE 10220400.4 a fuel cell is described with electrodes in the structure of a loading and drainage layer is integrated, which acts both as a drain and as a reservoir for the water occurring in the fuel cell. The loading and dewatering layer preferably contains hydrophilic hollow fibers that accomplish the water transport. The hydrophilic hollow fibers are preferably coated with a hydrophobic material. They are also preferably oriented so that they do not reach into the reactant side, coarsely porous layer (macroporous GDL).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gasdiffusionselektrode zur Verfügung zu stellen, die einen verbesserten Befeuchtungszustand einer Polymer-Elektrolyt-Membran gewährleistet und dadurch eine verbesserte Leistung einer mit dieser Gasdiffusionselektrode ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung.Object of the present invention it is to provide a gas diffusion electrode having a improved humidification state of a polymer electrolyte membrane guaranteed and thereby improved performance with this gas diffusion electrode equipped membrane-electrode assembly.

Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verwendung einer derartigen Gasdiffusionselektrode vorzuschlagen.It is also an object of the present invention Invention, a use of such a gas diffusion electrode propose.

Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend eine Gasdiffusionselektrode (GDE) für eine Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM), die wenigstens eine Gasdiffusionslage (GDL) und eine Katalysatorschicht aufweist, wobei die Katalysatorschicht auf der PEM-seitigen Oberfläche der GDE angeordnet ist. Erfindungsgemäß weist die GDE wenigstens eine Schicht zur Steuerung der Querdiffusion von Wasser auf, die hydrophile, nicht hohl ausgebildete Fasern enthält.A first subject of the present Invention is accordingly a gas diffusion electrode (GDE) for one Fuel cell with polymer electrolyte membrane (PEM), which at least a gas diffusion layer (GDL) and a catalyst layer, wherein the catalyst layer is disposed on the PEM side surface of the GDE. According to the invention the GDE at least one layer for controlling the transverse diffusion of water containing hydrophilic non-hollow fibers.

Die Schicht zur Steuerung der Querdiffusion von Wasser wird im Folgenden in Anlehnung an den Begriff GDL (gas diffusion layer) kurz WLDL (water lateral diffusion layer, zu Deutsch: Wasserquerdiffusionsschicht) genannt. Die Wasserquerdiffusionsschicht (WLDL) steuert den Wassertransport in Richtungen parallel zur PEM-seitigen Oberfläche der GDE. Der Mechanismus des Wassertransports kann dabei z.B. auf Diffusion, Verteilung oder dergleichen beruhen.The layer for controlling the lateral diffusion of In the following, water is modeled on the term GDL (gas diffusion WLDL (water lateral diffusion layer) called. The water transverse diffusion layer (WLDL) controls the water transport in directions parallel to the PEM-side surface of the GDE. The mechanism the water transport can be e.g. on diffusion, distribution or are based.

Erfindungsgemäß geeignet sind prinzipiell alle hydrophilen Fasern mit Ausnahme der in der bereits erwähnten, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10220400.4 erwähnten Hohlfasern. Bevorzugt sind dabei hydrophile Titanfasern, hydrophile Kohlefasern und dergleichen.In principle, all are suitable according to the invention hydrophilic fibers other than those already mentioned prepublished German Patent Application 10220400.4 mentioned hollow fibers. Prefers are hydrophilic titanium fibers, hydrophilic carbon fibers and the like.

Unter hydrophilen Fasern werden Fasern verstanden, die hydrophiler sind als ihre Umgebung in der GDE und sich gut benetzen lassen. Dabei handelt es sich vorzugsweise um Fasern, die nicht mit einer hydrophobierenden Substanz oder einem hydrophobierenden Mittel beschichtet sind. Prinzipiell geeignet sind alle nicht hydrophobierten Fasergewebe, -gelege, -gewirke, -vliese, -papiere und dergleichen.By hydrophilic fibers is meant fibers, which are more hydrophilic than their environment in the GDE and are well-wetted to let. These are preferably fibers that are not with a hydrophobizing substance or a hydrophobing substance Agents are coated. In principle, all non-hydrophobicized are suitable Fiber fabrics, fabrics, knits, nonwovens, papers and the like.

In der WLDL kann Wasser in Richtungen parallel zur PEM-seitigen Oberfläche der GDE transportiert werden und nicht nur, wie bei herkömmlichen GDE, hauptsächlich in einer Richtung weg von der PEM, hin zur reaktionsstoffseitigen Oberfläche der GDE, von wo es von dem Reaktionsstoffstrom abtransportiert wird. Dadurch bewirkt die WLDL, dass Überschüsse an Wasser, die während des Betriebs in bestimmten, beispielsweise kühleren Bereichen der GDE entstehen, parallel zur PEM-seitigen Oberfläche zu trockneren und/oder wärmeren Bereichen der GDE transportiert werden können. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine Vergleichmäßigung des Wassergehalts in der GDE erreicht werden. Insbesondere kann die Gefahr einer Flutung bestimmter Bereiche und eines Austrocknens anderer Bereiche (hot spots) der GDE reduziert werden. Die Diffusion oder Verteilung der Reaktionsstoffe innerhalb der GDE wird durch die WLDL kaum oder gar nicht eingeschränkt. Eine PEM, die zwischen zwei erfindungsgemäßen GDE angeordnet ist, kann mit deren Hilfe während des Betriebs in einem gleichmäßig gut befeuchteten Zustand gehalten werden.In the WLDL can be water in directions parallel to the PEM side surface GDE and not just, as with conventional GDE, mainly in a direction away from the PEM, towards the reactant side surface the GDE, from where it is transported away from the reactant stream. As a result, the WLDL causes surpluses of water, the while operating in certain, for example, cooler areas of the GDE, parallel to the PEM-side surface to dry and / or warmer Areas of the GDE can be transported. This can be advantageous Make a homogenization of the water content achieved in the GDE. In particular, the risk of flooding certain areas and drying out of other areas (hot spots) of the GDE. The diffusion or distribution of Reactants within the GDE is hardly or by the WLDL not restricted at all. A PEM, which is arranged between two GDE according to the invention, can with their help during of the plant in a uniformly well-moistened Condition are kept.

Dabei ist die WLDL vorzugsweise in wasserleitendem Kontakt zwischen einer reaktionsstoffseitigen GDL und einer katalysatorschichtseitigen GDL angeordnet. Dadurch kann zum einen, durch die WLDL, eine ausreichende Querdiffusion von Wasser sicher gestellt werden und zum anderen, durch die katalysatorschichtseitigen GDL, eine ausreichende und homogene Versorgung der Katalysatorschicht mit Reaktionsstoffen.In this case, the WLDL is preferably arranged in water-conducting contact between a reaction-substance-side GDL and a catalyst-layer-side GDL. As a result, on the one hand, through the WLDL, sufficient transverse diffusion of water can be ensured and, on the other, through the catalyst layer side GDL, a sufficient and homogeneous supply of the catalyst layer with reactants.

Ferner wird durch diese Anordnung die katalysatorschichtseitige GDL, die vorzugsweise mikroporös ist, wirksam entwässert. Dadurch kann dem Problem abgeholfen werden, dass Wasser in einem wasserhaltigen Gas bei gegebenem Druck, gegebener Temperatur und gegebener Konzentration in kleineren Poren stärker zur Kondensation neigt als in größeren Poren und dass dieses auskondensierte Wasser die Poren verstopft und damit den Transport von Reaktionsstoffen zu den Reaktionszentren unterbindet.Furthermore, by this arrangement the catalyst layer side GDL, which is preferably microporous, is effective dewatered. This can be remedied the problem that water in a hydrous Gas at a given pressure, given temperature and given concentration stronger in smaller pores tends to condensation as in larger pores and that this condensed water clogs the pores and thus prevents the transport of reactants to the reaction centers.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen GDE durchdringen sich die reaktionsstoffseitige GDL und die katalysatorschichtseitige GDL wenigstens teilweise, sodass ein Durchdringungsbereich gegeben ist, wobei die WLDL aus dem Durchdringungsbereich gebildet ist. Eine derartige WLDL kann beispielsweise in einfacher Weise durch Verpressen einer ersten GDL (welche z.B. als reaktionsstoffseitige GDL vorgesehen ist) mit einer zweiten GDL (welche z.B. als katalysatorschichtseitige GDL vorgesehen ist) hergestellt werden und es muss bei der Herstellung kein zusätzlicher Verfahrensschritt vorgesehen werden.In a preferred embodiment the GDE according to the invention the reaction-substance-side GDL and the catalyst-layer-side GDL penetrate each other at least partially so that there is a penetration area, wherein the WLDL is formed from the penetration area. A Such WLDL, for example, in a simple manner by pressing a first GDL (which is provided, for example, as a reactant side GDL with a second GDL (which may be used, for example, as a catalyst layer side GDL is provided) and it must be in the production no additional Step be provided.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die reaktionsstoffseitige GDL hydrophile Fasern aufweist, mit denen sie die katalysatorschichtseitige GDL wenigstens teilweise durchdringt, sodass die WLDL aus dem Bereich gebildet ist, in dem die hydrophilen Fasern der reaktionsstoffseitigen GDL die katalysatorschichtseitige GDL durchdringen. Die hydrophilen Fasern der reaktionsstoffseitigen GDL ragen dabei wie Dochte in die katalysatorschichtseitige GDL hinein und wirken wie Drainage-Einrichtungen, über die die katalysatorschichtseitige GDL entwässert (in wasserreichen Bereichen der GDE) oder bewässert (in wasserarmen Bereichen der GDE) werden kann. Dadurch kann ein schneller und ausreichender Transport von Wasser zwischen wasserreichen Bereichen und wasserarmen Bereichen besonders gut realisiert werden.It is advantageous if the Reactant side GDL has hydrophilic fibers with which it at least partially penetrates the catalyst layer-side GDL, so that the WLDL is formed from the area in which the hydrophilic Fibers of the reactant side GDL the catalyst layer side Penetrate GDL. The hydrophilic fibers of the reaction material side GDLs protrude like wicks into the catalyst-layer-side GDL into it and act like drainage facilities, over the the catalyst layer side GDL dehydrates (in water rich areas the GDE) or irrigated (in low-water areas of the GDE) can be. This can be a faster and sufficient transport of water between water-rich areas and low-water areas are particularly well realized.

Ferner kann es von besonderem Vorteil sein, wenn die reaktionsstoffseitige GDL die katalysatorschichtseitige GDL vollständig durchdringt, sodass die WLDL an die Katalysatorschicht angrenzt. Dadurch reichen die hydrophilen Fasern der reaktionsstoffseitigen GDL bis zur Katalysatorschicht, insbesondere bis zu den Katalysatorpartikeln der Katalysatorschicht, sodass die Katalysatorschicht über die hydrophilen Fasern direkt entwässert werden kann. Dadurch kann ein schneller Abtransport von Produktwasser vom Ort seiner Entstehung, den Katalysatorpartikeln, gewährleistet werden, sodass die Gefahr der Flutung der Katalysatorpartikel bzw. der Katalysatorschicht und des damit verbundenen Leistungseinbruchs reduziert wird.Furthermore, it may be of particular advantage when the reactant side GDL is the catalyst layer side GDL complete penetrates so that the WLDL is adjacent to the catalyst layer. As a result, the hydrophilic fibers of the reaction material side GDL to the catalyst layer, in particular up to the catalyst particles the catalyst layer so that the catalyst layer over the hydrophilic fibers directly drained can be. This allows a faster removal of product water from the place of its formation, the catalyst particles guaranteed so that the risk of flooding of the catalyst particles or the catalyst layer and the associated power dip is reduced.

Bei einer anderen, ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen GDE durchdringen sich die reaktionsstoffseitige GDL und die katalysatorschichtseitige GDL nicht, sondern sind von einer zusätzlichen Schicht, die als WLDL wirkt, getrennt. Dadurch können die Eigenschaften der zusätzlichen Schicht, der WLDL, genauer eingestellt werden, z.B. durch die Wahl spezieller Materialien oder durch spezielle Bearbeitungsschritte.In another, likewise preferred embodiment the GDE according to the invention the reaction-substance-side GDL and the catalyst layer-side interpenetrate GDL does not, but are of an additional layer called WLDL works, separated. Thereby can the properties of the additional Layer, the WLDL, more precisely, e.g. by choice special materials or by special processing steps.

Als im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders geeignet hydrophile Fasern haben sich Kohlefasern, vorzugsweise nicht hydrophobierte Kohlefasern erwiesen. Diese weisen z.B. eine gute Wasserleitfähigkeit auf, sind kommerziell leicht und verhältnismäßig billig erhältlich, besitzen gute mechanische Eigenschaften, z.B. gute Biegbarkeit, und besitzen eine gute elektrische Leitfähigkeit, wodurch sie zur guten Stromleitung in der GDE beitragen.As in the context of the present invention particularly Suitable hydrophilic fibers are carbon fibers, preferably not hydrophobized carbon fibers proved. These have e.g. a good water conductivity are commercially available and relatively cheap, have good mechanical properties, e.g. good bendability, and have good electrical conductivity, which makes them good Power line in the GDE contribute.

Geeignete hydrophile Kohlefasern sind beispielsweise in Form von Graphitpapieren (z.B. der Firma Toray) und Vliesen (z.B. der Firma Freudenberg) erhältlich. Nicht geeignet sind Kohlefaservliese, die hydrophobiert wurden (z.B. der Firma SGL).Suitable hydrophilic carbon fibers are for example in the form of graphite papers (e.g. Toray) and nonwovens (e.g., Freudenberg). Not suitable are carbon fiber webs which have been rendered hydrophobic (e.g. the company SGL).

Die hydrophilen Fasern wirken wie Leitungen, entlang deren hydrophilen Oberfläche die Wassermoleküle durch die hydrophobere Umgebung in der WLDL geleitet werden. Dadurch kann ein effizienter Transport von Wasser insbesondere in Richtungen parallel zur PEM-seitigen Oberfläche der GDE gewährleistet werden.The hydrophilic fibers act like Lines, along their hydrophilic surface through the water molecules the more hydrophobic environment in the WLDL be conducted. This can an efficient transport of water especially in directions parallel to the PEM-side surface guaranteed by the GDE become.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die WLDL eine kapillare Struktur aufweist. Unter einer kapillarer Struktur wird verstanden, dass die Zwischenräume, Aussparungen und dergleichen in der Struktur ein Netzwerk aus Kanälen, Röhren usw. – kurz: Kapillaren – bilden, entlang derer sich Reaktionsstoffe und/oder Wasser durch die WLDL bewegen können.It is particularly preferred if the WLDL has a capillary structure. Under a capillary structure It is understood that the spaces, recesses and the like in the structure a network of channels, tubes, etc. - in short: capillaries - form, along which reactants and / or water through the WLDL can move.

Derartige Kapillaren können auf unterschiedliche Weisen gebildet werden.Such capillaries can on different ways are formed.

Zum einen können die hydrophilen Fasern keine völlig glatte Oberfläche aufweisen, sondern Oberflächen mit Furchen in Längsrichtung, sogenannte Längsrillen. Diese Längsrillen bilden Spalte zwischen einer Faser und ihrer Umgebung, der sogenannten Matrix der WLDL oder der GDL, die u.a. von zumindest teilweise hydrophobierten Ruß- und/oder Graphitteilchen oder Agglomeraten daraus gebildet wird. Dadurch entstehen Kapillaren, entlang denen sich Wassermoleküle bewegen können.For one thing, the hydrophilic fibers can not completely smooth surface but surfaces with furrows in the longitudinal direction, so-called longitudinal grooves. These longitudinal grooves form gaps between a fiber and its environment, the so-called Matrix of the WLDL or the GDL, which i.a. of at least partially hydrophobicized Soot and / or graphite particles or agglomerates thereof is formed. This creates capillaries, along which water molecules can move.

Zum anderen umschließt die Matrix der WLDL oder der GDL eine hydrophile Faser im Allgemeinen nicht vollständig, weil sie sich beispielsweise während des Herstellungsprozesses teilweise von der hydrophilen Faser ablösen (z.B. durch Entspannungsrisse), sodass wiederum ein Spalt zwischen der betreffenden hydrophilen Faser und der Matrix gebildet wird und dadurch wiederum eine Kapillare, entlang der sich Wassermoleküle bewegen können.On the other hand, the matrix encloses WLDL or GDL generally does not have a hydrophilic fiber Completed, because, for example, during partially detach from the hydrophilic fiber (e.g. by relaxation tears), so again a gap between the respective hydrophilic fiber and the matrix is formed and this in turn a capillary, along which water molecules move can.

Ferner bilden die teilweise hydrophobierten Ruß- und/oder Graphitteilchen oder Agglomerate daraus der WLDL oder GDL eine poröse Struktur, in der sich die Poren ebenfalls zu Kapillaren aneinander reihen. Diese Kapillaren sind allerdings, infolge ihrer hydrophoben Begrenzungen, hydrophob, während die Kapillaren, die an die hydrophilen Fasern grenzen, hydrophil sind. Wasser bewegt sich daher bevorzugt in den hydrophilen Kapillaren entlang den hydrophilen Fasern, während sich die Reaktionsstoffe bevorzugt in den hydrophoben Kapillaren bewegen. Durch ein sorgfältig aufeinander abgestimmtes Verhältnis zwischen Hydrophobie der Matrix und Hydrophilie der Faseroberflächen können die Ströme der Reaktionsstoffe und der Wassermoleküle gesteuert werden. Dabei spielen auch die Menge und die Art der eingesetzten Fasern eine wichtige Rolle. Dabei kann die Hydrophobie der Matrix durch Zumischung hydrophober Stoffe wie z.B. perfluorierter Verbindungen (z.B. Teflon der Firma DuPont) eingestellt werden. Insbesondere können die Wasser- und Reaktionsstoffströme so gesteuert werden, dass sie sich nicht gegenseitig beeinträchtigen. Dadurch ist es möglich, den Wassertransport innerhalb einer GDE zu steuern, ohne dass die Diffusion und/oder Verteilung der Reaktionsstoffe beeinträchtigt wird.Furthermore, the partially hydrophobicized carbon black and / or graphite particles or agglomerates thereof of the WLDL or GDL form a porous structure in which the pores also form capillaries together series. However, due to their hydrophobic limitations, these capillaries are hydrophobic while the capillaries bordering the hydrophilic fibers are hydrophilic. Water therefore preferably moves in the hydrophilic capillaries along the hydrophilic fibers, while the reactants preferentially move in the hydrophobic capillaries. By a carefully balanced relationship between hydrophobicity of the matrix and hydrophilicity of the fiber surfaces, the flows of the reactants and the water molecules can be controlled. The amount and type of fibers used also play an important role. The hydrophobicity of the matrix can be adjusted by admixing hydrophobic substances such as perfluorinated compounds (eg Teflon from DuPont). In particular, the flows of water and reactant can be controlled so that they do not interfere with each other. This makes it possible to control the water transport within a GDE, without affecting the diffusion and / or distribution of the reactants.

Ein weiterer Vorteil der kapillaren Struktur ist, dass der Wassertransport in der WLDL nicht nur durch z.B. Diffusion und/oder Verteilung bewirkt wird, sondern auch durch Kapillarkräfte. Derart ausgestalteten GDE haben den Vorteil, dass in ihren WLDL auch flüssiges Wasser wirkungsvoll transportiert werden kann.Another advantage of the capillary Structure is that water transport in the WLDL not only through e.g. Diffusion and / or distribution is effected, but also by Capillary forces. Such designed GDE have the advantage that in their WLDL too liquid Water can be transported effectively.

Bei einer bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen GDE nimmt die Hydrophilie der Schichten der GDE in der Reihenfolge reaktionsstoffseitige GDL, WLDL, katalysatorschichtseitige GDL ab. Dadurch kann der Abtransport von Produktwasser von der Katalysatorschicht unterstützt werden, damit das entstehende Reaktionswasser sich dort nicht staut und die katalytischen Reaktionszentren und/oder die katalysatorschichtseitige GDL blockiert, wobei ein ungesteuerter und zu schneller Abtransport von Wasser aus der GDE und damit ein Austrocknen der PEM durch die WLDL wie beschrieben verhindert wird.In a preferred variant of GDE according to the invention takes the hydrophilicity of the layers of the GDE in the order reaction-substance-side GDL, WLDL, catalyst layer side GDL ab. This can be the removal be supported by product water from the catalyst layer, so that the resulting reaction water is not jammed there and the catalytic reaction centers and / or the catalyst layer side GDL is blocking, with an uncontrolled and too fast evacuation of water from the GDE and thus a drying out of the PEM by the WLDL is prevented as described.

Bei einer weiteren bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen GDE ist die Porosität der reaktionsstoffseitigen GDL größer ist als die Porosität der katalysatorschichtseitigen GDL.In a further preferred variant the GDE according to the invention is the porosity the reactant side GDL is greater than the porosity of the catalyst layer side GDL.

Dabei nimmt die Porosität der Schichten der GDE vorzugsweise in der Reihenfolge reaktionsstoffseitige GDL, WLDL, katalysatorschichtseitige GDL ab. Eine makroporöse reaktionsstoffseitige PEM erleichtert den Stoffaustausch zwischen GDE und einem angrenzenden Reaktionsstoffraum, während eine mikroporöse katalysatorschichtseitige GDL die homogene Verteilung von Reaktionsstoffen an die Katalysatorschicht bzw. die katalytisch aktiven Zentren dieser Schicht unterstützt bzw. die homogene Verteilung von Wasser an die PEM unterstützt.At the same time, the porosity of the layers decreases the GDE preferably in the order reaction-side GDL, WLDL, catalyst layer-side GDL. A macroporous reaction-material-side PEM facilitates the mass transfer between GDE and an adjacent one Reagent space while a microporous one catalyst layer side GDL the homogeneous distribution of reactants to the catalyst layer or the catalytically active centers of these Layer supported or the homogeneous distribution of water to the PEM supports.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung wenigstens einer GDE, wie sie vorstehend beschrieben wurde, in einer MEA. Durch die Verwendung einer derartigen GDE in einer MEA weist diese MEA eine verbesserte Leistung auf und ist bei Betriebszuständen mit hoher Last, d.h. bei hohen Stromstärken, bei denen auch die Wärmeentwicklung stark zunimmt, weniger störungsanfällig. Damit verbunden ist auch eine Erhöhung der Lebensdauer derartiger MEAs.Another object of the present invention is the use of at least one GDE as described above was, in an MEA. By using such a GDE in an MEA, this MEA has improved performance and is during operating states with high load, i. at high currents, which also heat increases sharply, less prone to failure. In order to connected is also an increase the life of such MEAs.

In einer vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Verwendung ist die wenigstens eine GDE kathodenseitig in der MEA angeordnet, da das Problem der nicht ausgeglichenen Wasserverteilung insbesondere kathodenseitig auftritt und mit einer dort angeordneten erfindungsgemäßen GDE behoben werden kann.In an advantageous variant of use according to the invention the at least one GDE is arranged on the cathode side in the MEA, because the problem of unbalanced water distribution in particular occurs on the cathode side and with a GDE according to the invention arranged there can be corrected.

Ein dritter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer MEA, wie sie vorstehend beschrieben wurde, in einer PEM-Brennstoffzelle. Dabei sind die Vorteile einer derartigen Verwendung im wesentlichen dieselben wie die der vorstehend beschriebenen Verwendung der erfindungsgemäßen GDE in einer MEA.A third subject of the present The invention is the use of an MEA as described above was in a PEM fuel cell. There are the advantages of a such use substantially the same as the above described use of the GDE invention in an MEA.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass die erfindungsgemäße GDE bzw. MEA natürlich auch in anderen elektrochemischen Zellen wie z.B. Elektrolysezellen und dergleichen verwendet werden kann.At this point it should be mentioned that the GDE according to the invention or MEA of course also in other electrochemical cells such as e.g. electrolysis cells and the like can be used.

Die Erfindung wird nun anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigenThe invention will now be described with reference to closer figures below explained. Show

1 eine schematische Explosionsdarstellung eines typischen Aufbaus einer PEM-Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik; 1 a schematic exploded view of a typical structure of a PEM fuel cell according to the prior art;

2 einen schematischen Schnitt durch eine MEA, die zwei erfindungsgemäße GDE aufweist; 2 a schematic section through an MEA having two GDE invention;

3 eine schematische Darstellung eines stark ,vergrößerten Ausschnitts einer WLDL, in dem die Bewegung der Reaktionsstoffe und insbesondere des Wassers schematisch dargestellt ist; 3 a schematic representation of a strong, enlarged section of a WLDL, in which the movement of the reactants and in particular the water is shown schematically;

4 ein Vergleich der i-U-Kennlinie einer MEA mit erfindungsgemäßer GDE (-∎-) mit der i-U-Kennlinie einer MEA ohne erfindungsgemäße GDE (-♦-). 4 a comparison of the iU characteristic of an MEA with inventive GDE (-∎-) with the iU characteristic of an MEA without GDE invention (- ♦ -).

1 zeigt den typischen Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle aus den Baugruppen PEM (1), GDE (2) und Bipolarplatte (3) mit Kanälen (4) und Stegen (5) und verdeutlicht die Orientierung der einzelnen Baugruppen bzw. deren Oberflächen zueinander. Eine GDE weist beispielsweise die Hauptoberflächen (6) und (7) auf, wobei die Hauptoberfläche (6) der PEM (1) zugewandt ist und die PEM-seitige Oberfläche der GDE (2) bildet und die Hauptoberfläche (7) der Bipolarplatte (3) zugewandt ist und die reaktionsstoffseitige Oberfläche der GDE (2) bildet. 1 shows the typical structure of a PEM fuel cell from the assemblies PEM ( 1 ), GDE ( 2 ) and bipolar plate ( 3 ) with channels ( 4 ) and bridges ( 5 ) and clarifies the orientation of the individual modules or their surfaces to each other. For example, a GDE has the main surfaces ( 6 ) and ( 7 ), the main surface ( 6 ) the PEM ( 1 ) and the PEM-side surface of the GDE ( 2 ) and the main surface ( 7 ) of the bipolar plate ( 3 ) and the reaction-substance-side surface of the GDE ( 2 ).

2 zeigt eine MEA (8), die aus zwei erfindungsgemäßen GDE (2) und einer dazwischen angeordneten PEM (1) aufgebaut ist. 2 shows an MEA ( 8th ) consisting of two GDEs of the invention ( 2 ) and a PEM ( 1 ) is constructed.

Beide GDE (2) sind in diesem Beispiel gleich aufgebaut, es ist jedoch auch denkbar, dass die beiden GDE (2) unterschiedlich aufgebaut sind, oder dass eine der GDE nicht erfindungsgemäß ist, insbesondere wenn es sich dabei um die Anode handelt.Both GDEs ( 2 ) are the same in this example, but it is also conceivable that the the GDE ( 2 ) are constructed differently, or that one of the GDE is not according to the invention, in particular if it is the anode.

2 zeigt eine mögliche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen GDE (2). Diese GDE (2) weist eine makroporöse GDL (9) auf, die einem Reaktionsstoff zugewandt ist, an die eine WLDL (10) angrenzt, an die wiederum eine mikroporöse GDL (11) angrenzt, an die eine Katalysatorschicht (12) angrenzt, die einer PEM (1) zugewandt ist. Es ist aber ebenfalls erfindungsgemäß, wenn die makroporöse GDL (9) die mikroporöse GDL (11) vollständig durchdringt. Dann entfällt die Schicht (11) und die WLDL reicht bis an die Katalysatorschicht (12) heran. Erfindungsgemäß unterstützt die WLDL (10) den Transport von Wasser in Richtungen senkrecht zur PEM-seitigen Oberfläche der GDE (2) (bzw. senkrecht zur reaktionsstoffseitigen Oberfläche der GDE (2)). 2 shows a possible embodiment of a GDE according to the invention ( 2 ). This GDE 2 ) has a macroporous GDL ( 9 ) facing a reactant to which a WLDL ( 10 ), to which in turn a microporous GDL ( 11 ) to which a catalyst layer ( 12 ) adjacent to a PEM ( 1 ) is facing. However, it is also according to the invention if the macroporous GDL ( 9 ) the microporous GDL ( 11 ) penetrates completely. Then the layer is omitted ( 11 ) and the WLDL extends to the catalyst layer ( 12 ). According to the invention, the WLDL ( 10 ) the transport of water in directions perpendicular to the PEM-side surface of the GDE ( 2 ) (or perpendicular to the reaction-substance-side surface of the GDE ( 2 )).

3 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer WLDL (10) einer erfindungsgemäßen GDE (2) in starker Vergrößerung. Dargestellt sind hydrophile Kohlefasern (13) und dazwischen angeordnete Ruß- und/oder Graphit-Partikel (14) der Matrix, die miteinander und z.T. mit den Kohlefasern (13) verbunden sind. Weitere Bestandteile der WLDL sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. 3 schematically shows a section of a WLDL ( 10 ) of a GDE according to the invention ( 2 ) in high magnification. Shown are hydrophilic carbon fibers ( 13 ) and interposed soot and / or graphite particles ( 14 ) of the matrix, which together and partly with the carbon fibers ( 13 ) are connected. Other components of the WLDL are not shown for clarity.

Die geschwungenen, nach unten weisenden Pfeile mit den dreieckigen Spitzen (15) verdeutlichen die Strömungswege eines Reaktionsstoffs in Richtung auf die Katalysatorschicht bzw. die PEM. Man kann erkennen, dass die Strömungswege der Reaktionsstoffe entlang von Kapillaren der Matrix verlaufen, die von aneinander gereihten Poren der Matrix gebildet werden.The curved, down-facing arrows with the triangular points ( 15 ) illustrate the flow paths of a reactant in the direction of the catalyst layer or the PEM. It can be seen that the flow paths of the reactants extend along capillaries of the matrix formed by juxtaposed pores of the matrix.

Die geschwungenen Pfeile mit den hakenförmigen Spitzen (16) verdeutlichen die Transportwege der Wassermoleküle. Man kann erkennen, dass die Transportwege der Wassermoleküle entlang den Oberflächen der Kohlefasern bzw. entlang den dortigen Kapillaren verlaufen.The curved arrows with the hook-shaped tips ( 16 ) illustrate the transport routes of the water molecules. It can be seen that the transport paths of the water molecules run along the surfaces of the carbon fibers or along the capillaries there.

3 ist ein Modell der Wasserverteilung bzw. des Wassertransports und der Wasserquerdiffusion in einer WLDL (10) einer erfindungsgemäßen GDE (2). Sie verdeutlicht, dass der Reaktionsstoff sich relativ ungehindert durch die WLDL (10) bewegen kann und dass sich das Wasser ebenfalls relativ ungehindert entlang den Kohlefasern (13) in jede Richtung der WLDL (10) bewegen kann, insbesondere in Richtungen senkrecht zu den Strömungswegen (15) des Reaktionsstoffs, d.h. parallel zur PEM-seitigen Oberfläche der GDE (2). Die Steuerung der Querdiffusion von Wasser der WLDL (10) besteht darin, dass Wasser aufgrund der WLDL (10) entlang den hydrophilen Fasern von feuchten Bereichen der GDE (2) zu trocknen Bereichen der GDE (2) transportiert wird. 3 is a model of water distribution and water transport and water transverse diffusion in a WLDL ( 10 ) of a GDE according to the invention ( 2 ). It shows that the reaction substance is relatively unhindered by the WLDL ( 10 ) and that the water also relatively unhindered along the carbon fibers ( 13 ) in each direction of the WLDL ( 10 ), in particular in directions perpendicular to the flow paths ( 15 ) of the reactant, ie parallel to the PEM-side surface of the GDE ( 2 ). The control of the transverse diffusion of water of the WLDL ( 10 ) is that water due to the WLDL ( 10 ) along the hydrophilic fibers of wet regions of the GDE ( 2 ) to dry areas of the GDE ( 2 ) is transported.

4 zeigt einen Vergleich zwischen einer experimentell bestimmten i-U-Kennlinie einer MEA mit einer erfindungsgemäßen GDE (die entsprechende i-U-Kennlinie ist durch Quadrate gekennzeichnet: -∎-) und einer experimentell bestimmten i-U-Kennlinie einer MEA ohne erfindungsgemäße GDE (die entsprechende i-U-Kennlinie ist durch Rauten gekennzeichnet: -♦-). Die beiden MEAs wurden nach einem dem Fachmann bekannten Verfahren hergestellt (vgl. beispielsweise DE 100 52 189 A1 , WO 02/35620 und WO 02/35624, alle Daimler-Chrysler), wobei die erfindungsgemäße MEA eine WLDL zwischen einer makroporösen GDL und einer mikroporösen GDL aufwies, wie in 1 gezeigt. Im Detail: Als PEM wurde eine G40-Membran der Firma Gore eingesetzt, die eine Dicke von 40 μm aufwies. 4 shows a comparison between an experimentally determined iU characteristic of an MEA with a GDE according to the invention (the corresponding iU characteristic is identified by squares: -∎-) and an experimentally determined iU characteristic of an MEA without GDE invention (the corresponding iU characteristic marked by diamonds: - ♦ -). The two MEAs were prepared by a process known to those skilled in the art (cf., for example DE 100 52 189 A1 , WO 02/35620 and WO 02/35624, all Daimler-Chrysler), wherein the MEA according to the invention had a WLDL between a macroporous GDL and a microporous GDL, as in 1 shown. In detail: The PEM used was a G40 membrane from Gore, which had a thickness of 40 μm.

Für die GDE wurde als Substrat TGP H090-Graphitpapier der Firma Toray eingesetzt.For the GDE was used as a substrate TGP H090 graphite paper from Toray used.

Für die erfindungsgemäße GDE wurde das Graphitpapier nicht hydrophobiert.For the GDE according to the invention was the graphite paper is not rendered hydrophobic.

Für die nicht erfindungsgemäße GDE wurde das Graphitpapier hydrophobiert, indem 11 Gew.-%, bezogen auf das hydrophobierte Graphitpapier, Teflon (DuPont) aufgebracht wurde. Das Graphitpapier entspricht einer reaktionsstoffseitigen, makroporösen GDL ((9) in 2).For the non-inventive GDE, the graphite paper was rendered hydrophobic by applying 11% by weight, based on the hydrophobized graphite paper, of Teflon (DuPont). The graphite paper corresponds to a reactant-side, macroporous GDL (( 9 ) in 2 ).

Darauf wurde eine mikroporöse GDL (11 in 2) aufgebracht. Für die Kathode wurde dazu eine Mischung eingesetzt, die auf C50-Leitfähigkeits-Ruß der Firma Chevron basiert und 11 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Mischung, Hydrophobierungsmittel, und zwar Teflon der Firma DuPont, enthielt.Then a microporous GDL ( 11 in 2 ) applied. For the cathode, a mixture was used, based on the C50 conductive carbon black from Chevron and 11 wt .-%, based on the total mixture, of water repellents, namely Teflon from DuPont contained.

Für die Anode wurde dazu eine Mischung eingesetzt, die auf C50-Leitfähigkeits-Ruß der Firma Chevron basiert und 18 Gew.%, bezogen auf die gesamte Mischung, Hydrophobierungsmittel, und zwar Teflon der Firma DuPont, enthielt.For The anode was a mixture used on the C50 conductivity carbon black from Chevron and 18% by weight, based on the total mixture, of water repellents, Teflon from DuPont.

Die Belegungsdichte betrug in beiden Fällen 1,4 mg/cm2.The occupation density was 1.4 mg / cm 2 in both cases.

Darauf wurde eine Katalysatorschicht aus Pt aufgebracht, wobei die Belegung mit Pt in allen Fällen 4,00 mg/cm2 betrug.Then, a catalyst layer of Pt was applied, the Pt occupancy being 4.00 mg / cm 2 in all cases.

Membran, Anode und Kathode wurden anschließend trocken miteinander verpresst, und zwar in beiden Fällen bei einem Druck von 330 N/cm2 und einer Temperatur von 140 °C.Membrane, anode and cathode were then pressed together dry, in both cases at a pressure of 330 N / cm 2 and a temperature of 140 ° C.

Die so erhaltene erfindungsgemäße und nicht erfindungsgemäße MEA wurden jeweils in einen Brennstoffzellenteststand, wie er beispielsweise vom Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoffforschung (ZSW) oder vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR) oder von der Firma Axiva erhältlich ist, eingebaut und die i-U-Kennlinien in einer dem Fachmann bekannten Weise potentiostatisch ermittelt. Die Betriebsbedingungen waren dabei wie folgt:
Druck: 2,07 bar Überdruck
Temperatur: 80,0 °C
Verhältnis H2 zu Luft: 1,5 zu 2
Temperatur der Luft: 75 °C
Temperatur des H2: 75 °CThe MEA according to the invention thus obtained and not according to the invention were in each case installed in a fuel cell test stand, as available, for example, from the Center for Solar Energy and Hydrogen Research (ZSW) or the German Aerospace Center DLR) or by Axiva, and the iU- Characteristics determined potentiostatically in a manner known to those skilled in the art. The operating conditions were as follows:
Pressure: 2,07 bar overpressure
Temperature: 80.0 ° C
Ratio H 2 to air: 1.5 to 2
Temperature of the air: 75 ° C
Temperature of H 2 : 75 ° C

In 1 kann man erkennen, dass die i-U-Kennlinie der erfindungsgemäßen MEA (mit WLDL) bei allen Stromdichten i (außer bei i = 0 A/cm2) bei höheren Spannungen U liegt, im Vergleich zu der i-U-Kennlinie der nicht erfindungsgemäßen, herkömmlichen MEA (ohne WLDL). Das bedeutet, dass die MEA mit der erfindungsgemäßen GDE bei allen Spannungen U eine höhere Stromdichte i liefert. Da die Stromdichte i proportional zur Protonenleitfähigkeit der PEM ist, diese wiederum von ihrem Befeuchtungszustand abhängt und die erfindungsgemäße und die herkömmliche MEA sich nur in einer vorhandenen oder nicht vorhandenen WLDL unterscheiden, kann gefolgert werden, dass die PEM der erfindungsgemäßen MEA aufgrund der WLDL besser befeuchtet ist, als die PEM der herkömmliche MEA. Der positive Einfluss der WLDL auf den Befeuchtungszustand einer PEM und die Leistung einer MEA ist damit belegt.In 1 It can be seen that the iU characteristic of the MEA according to the invention (with WLDL) at all current densities i (except for i = 0 A / cm 2 ) at higher voltages U, compared to the iU characteristic of the conventional non-inventive MEA (without WLDL). This means that the MEA with the GDE according to the invention delivers a higher current density i at all voltages U. Since the current density i is proportional to the proton conductivity of the PEM, which in turn depends on its wetting state and the inventive and the conventional MEA differ only in an existing or non-existent WLDL, it can be concluded that the PEM of the MEA according to the invention wets better due to the WLDL is as the PEM the conventional MEA. The positive influence of the WLDL on the humidification state of a PEM and the performance of an MEA is therefore proven.

11
Elektrolyt, z.B. Polymerelektrolytmembran (PEM)Electrolyte, e.g. Polymer electrolyte membrane (PEM)
22
Gasdiffusionselektrode (GDE)Gas diffusion electrode (GDE)
33
Bipolarplattebipolar
44
Kanalchannel
55
Stegweb
66
PEM-seitige Oberfläche einer GDEPEM-sided surface a GDE
77
reaktionsstoffseitige Oberfläche einer GDEreactive material-side surface a GDE
88th
Membran-Elektroden-Einheit (MEA)Membrane-electrode assembly (MEA)
99
makroporöse, reaktionsstoffseitige GDLmacroporous, reactant side GDL
1010
Wasserquerdiffusionsschicht (WLDL)Water cross diffusion layer (WLDL)
1111
mikroporöse, katalysatorschichtseitige GDLmicroporous, catalyst layer side GDL
1212
Katalysatorschichtcatalyst layer
1313
Kohlefasercarbon fiber
1414
Ruß- oder Graphit-PartikelSoot or Graphite particles
1515
Strömungsweg eines Reaktionsstoffsflow of a reactant
1616
Transportweg von Wassertransport of water

Claims (14)

Gasdiffusionselektrode (GDE) für eine Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM), die wenigstens eine Gasdiffusionslage (GDL) und eine Katalysatorschicht aufweist, wobei die Katalysatorschicht auf der PEM-seitigen Oberfläche der GDE angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die GDE wenigstens eine Schicht (WLDL) zur Steuerung der Querdiffusion von Wasser aufweist, die hydrophile, nicht hohl ausgebildete Fasern enthält.Gas diffusion electrode (GDE) for a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell having at least one gas diffusion layer (GDL) and a catalyst layer, wherein the catalyst layer is disposed on the PEM side surface of the GDE, characterized in that the GDE is at least a layer (WLDL) for controlling the transverse diffusion of water containing hydrophilic, non-hollow fibers. GDE nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die WLDL in wasserleitendem Kontakt zwischen einer reaktionsstoffseitigen GDL und einer katalysatorschichtseitigen GDL angeordnet ist.GDE according to claim 1, characterized in that the WLDL in water-conducting contact between a reactant side GDL and a catalyst layer side GDL is arranged. GDE nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktionsstoffseitige GDL und die katalysatorschichtseitige GDL sich wenigstens teilweise durchdringen, sodass ein Durchdringungsbereich gegeben ist, und dass die WLDL aus dem Durchdringungsbereich gebildet ist.GDE according to claim 2, characterized that the reactant side GDL and the catalyst layer side GDL penetrate at least partially, so that a penetration area given is, and that the WLDL formed from the penetration area is. GDE nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktionsstoffseitige GDL hydrophile Fasern aufweist, mit denen sie die katalysatorschichtseitige GDL wenigstens teilweise durchdringt, sodass die WLDL aus dem Bereich gebildet ist, in dem die hydrophilen Fasern der reaktionsstoffseitigen GDL die katalysatorschichtseitige GDL durchdringen.GDE according to one of claims 1 to 3, characterized in that the reactant side GDL has hydrophilic fibers with which it at least partially penetrates the catalyst layer-side GDL, so that the WLDL is formed from the area in which the hydrophilic Fibers of the reaction-side GDL, the catalyst layer-side GDL penetrate. GDE nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktionsstoffseitige GDL die katalysatorschichtseitige GDL vollständig durchdringt, sodass die WLDL an die Katalysatorschicht angrenzt.GDE according to claim 3 or 4, characterized the reaction-side GDL is the catalyst layer-side GDL complete penetrates so that the WLDL is adjacent to the catalyst layer. GDE nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die reaktionsstoffseitige GDL und die katalysatorschichtseitige GDL nicht durchdringen, sondern von einer zusätzlichen Schicht, die als WLDL wirkt, getrennt sind.GDE according to claim 2, characterized in that the reactant side GDL and the catalyst layer side GDL does not penetrate, but from an additional layer called WLDL works, are separated. GDE nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den hydrophilen Fasern um Kohlefasern, bevorzugt um nicht hydrophobierte Kohlefasern handelt.GDE according to one of claims 1 to 6, characterized that the hydrophilic fibers are carbon fibers is not hydrophobized carbon fibers. GDE nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die WLDL eine kapillare Struktur aufweist.GDE according to one of Claims 1 to 7, characterized that the WLDL has a capillary structure. GDE nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrophilie der Schichten der GDE in der Reihenfolge reaktionsstoffseitige GDL, WLDL, katalysatorschichtseitige GDL abnimmt.GDE according to one of claims 1 to 8, characterized that the hydrophilicity of the layers of the GDE in the order reactant side GDL, WLDL, catalyst layer side GDL decreases. GDE nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der reaktionsstoffseitigen GDL größer ist als die Porosität der katalysatorschichtseitigen GDL.GDE according to one of claims 1 to 9, characterized that the porosity the reactant side GDL is greater than the porosity of the catalyst layer side GDL. GDE nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der Schichten der GDE in der Reihenfolge reaktionsstoffseitige GDL, WLDL, katalysatorschichtseitige GDL abnimmt.GDE according to claim 10, characterized in that the porosity the layers of the GDE in the order reaction-side GDL, WLDL, catalyst layer side GDL decreases. Verwendung wenigstens einer GDE nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einer MEA.Use of at least one GDE according to one of claims 1 to 11 in an MEA. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine GDE kathodenseitig angeordnet ist.Use according to claim 12, characterized the at least one GDE is arranged on the cathode side. Verwendung einer MEA nach Anspruch 12 oder 13 in einer PEM-Brennstoffzelle.Use of an MEA according to claim 12 or 13 in a PEM fuel cell.
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