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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere
eine Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle sowie
ein Verfahren zum Herstellen eine Elektrode für eine Membranelektroden anordnung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen
sind als eine Energiequelle für
Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine
derartige Brennstoffzelle ist die PEM-Brennstoffzelle (d. h. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle),
die eine so genannte "Membranelektrodenanordnung" (MEA) mit einem dünnen Festpolymermembranelektrolyten
umfasst, der ein Paar Elektroden (d. h. eine Anode und eine Kathode)
auf entgegengesetzten Seiten des Membranelektrolyten umfasst. Die
MEA ist schichtartig zwischen Planaren Gasverteilungselementen angeordnet.
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Eine
Membranelektrodenanordnung der genannten Art ist beispielsweise
in der
WO 02/093669 A2 beschrieben.
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Die
Elektroden besitzen im Vergleich zu den Membranelektrolyten typischerweise
eine kleinere Oberfläche,
so dass Ränder
des Membranelektrolyten von den Elektroden nach außen vorstehen.
An diesen Rändern
des Membranelektrolyten sind Flächendichtungen
oder Dichtungselemente angeordnet, um die Elektroden um den Umfang
herum einzurahmen. Aufgrund der Beschränkungen hinsichtlich Fertigungstole ranzen
sind die Dichtungen, die MEA wie auch Gasverteilungselemente nicht
geeignet eng ausgerichtet. Somit besteht ein Bedarf nach einer verbesserten
Anordnung dieser Elemente.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung sieht eine Membranelektrodenanordnung mit
einer ionenleitenden Membran mit einer Hauptfläche und einer Elektrode benachbart
der Hauptfläche
mit einer Umfangsausdehnung vor, die im Wesentlichen gleich der
der Hauptfläche
ist. Die Elektrode umfasst ein Zentralgebiet und ein Umfangsgebiet,
wobei das Zentralgebiet einen Binder und eine erste Gruppe von Partikeln umfasst
und das Umfangsgebiet einen Binder und eine zweite Gruppe von Partikeln
umfasst. Die erste Gruppe von Partikeln ist mit Katalysator versehen und
die zweite Gruppe von Partikeln weist keinen Katalysator oder einen
Katalysatorgehalt auf, der kleiner als der Katalysatorgehalt der
ersten Gruppe von Partikeln ist. Bei einer Ausführungsform umfasst das Zentralgebiet
polymere Ionomerpartikel und mit Katalysator versehene Kohlenstoffpartikel,
und das Umfangsgebiet umfasst die polymeren Ionomerpartikel und
nicht mit Katalysator versehene Kohlenstoffpartikel. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform
umfassen der zentrale Bereich bzw. Umfangsbereich jeweilige Materialien
mit zumindest einer Eigenschaft, die in etwa gleich ist, nämlich zumindest
eine aus: ähnlicher
Zugfestigkeit, ähnlichem
Nicht-Standard-Modul, ähnlicher
Bruchdehnung, ähnlicher
relativer Dichte, ähnlicher
Wasseraufnahme und ähnlicher
linearer Ausdehnung. Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung
wird eine erste Tinte, die die Bestandteile des aktiven Gebietes
umfasst, auf eine Membran aufgebracht, und anschließend wird
eine zweite Tinte, die die Bestandteile des Umfangsgebietes umfasst, aufgebracht,
bevor die erste Tinte aushärtet
oder trocknet. Somit wird ein Zwischengebiet gebildet, das einen
Katalysatorgehalt zwischen dem des aktiven und des Umfangsgebietes
aufweist, wenn sich die Tinten mischen oder Partikel dazwischen
wandern. Wie zu sehen ist, ist die somit gebildete Elektrodenschicht über die
Fläche
der Membran kontinuierlich. Somit werden Spannungen, die durch Flächendichtungen
oder Dichtungselemente nach dem Stand der Technik erzeugt werden,
vermieden.
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Weitere
Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter
beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung
wie auch spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und
nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchem:
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1 eine
Schnittansicht einer Membranelektrodenanordnung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
Schnittansicht einer Membranelektrodenanordnung nach dem Stand der
Technik ist;
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3a eine
Schnittansicht einer Membranelektrodenanordnung gemäß einer
ersten und zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, wobei die Anoden- und Kathodenelektroden
an einem innenleitenden Element angeordnet sind;
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3b eine
Schnittansicht einer Membranelektrodenanordnung gemäß einer
ersten und zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, wobei die Anoden- und Kathodenelektroden
an Gasdiffusionsmedien angeordnet sind;
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4 eine
perspektivische Explosionsdarstellung einer Membranelektrodenanordnung
gemäß einer
ersten und zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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5a eine
Schnittansicht einer Membranelektrodenanordnung gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, wobei die Anoden- und Kathodenelektroden
an einem ionenleitenden Element angeordnet sind;
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5b eine
Schnittansicht einer Membranelektrodenanordnung gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, wobei auch ein Harz dazu verwendet
werden kann, Ränder der
Diffusionsmedien zu beschichten; und
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6 ein
Diagramm eines durchschnittlichen Zellenpotentials in Abhängigkeit
der Laufzeit ist, das eine MEA nach dem Stand der Technik mit einer MEA
gemäß der ersten
Ausführungsform
vergleicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich
beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre
Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
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1 ist
eine Schnittansicht einer Membranelektrodenanordnung (MEA) gemäß der vorliegenden
Erfindung. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst die MEA 2 ein
ionenleitendes Element 4, das zwischen eine Anodenelektrode 6 und
eine Kathodenelektrode 8 geschichtet ist. Die MEA 2 ist
ferner durch ein Paar elektrisch leitender Elemente 10 und 12 oder
Gasdiffusionsmedien 10 und 12 schichtartig angeordnet. Die
Gasdiffusionsmedien 10 und 12 sind um den Umfang
herum durch rahmenförmige
Flächendichtungen
bzw. Dichtungen 14 und 16 umgeben. Die Flächendichtungen 14 und 16 wie
auch die Diffusionsmedien 10 und 12 können, müssen jedoch
nicht, an das ionenleitende Element 4 und/oder die Elektroden 6 und 8 laminiert
sein.
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Das
ionenleitende Element
4 ist bevorzugt ein Festpolymermembranelektrolyt
und bevorzugt eine PEM. Das Element
4 wird hier auch als
eine Membran bezeichnet. Bevorzugt besitzt das ionenleitende Element
4 eine
Dicke im Bereich von etwa 10 µm–100 µm und am
bevorzugtesten eine Dicke von etwa 25 µm. Polymere, die für derartige
Membranelektrolyte geeignet sind, sind in der Technik gut bekannt
und in den
U.S. Patenten
US 5,272,017 A und
US
3,134,697 A wie auch an anderen Stellen in der Patent-
und Nicht-Patent-Literatur beschrieben. Es sei jedoch angemerkt,
dass die Zusammensetzung des ionenleitenden Elementes
4 eines
der protonenleitenden Polymere, die in der Technik herkömmlich verwendet
werden, umfassen kann. Bevorzugt werden perfluorierte Sulfonsäurepolymere,
wie beispielsweise NAFION
® verwendet. Ferner kann
das Polymer der ausschließliche
Bestandteil der Membran sein, mechanisch stützende Fasern aus einem anderen
Material umfassen oder kann mit Partikeln (wie beispielsweise Silika,
Zeolithen oder anderen ähnlichen
Partikeln) vermischt sein. Alternativ dazu kann das Polymer oder
Ionomer in den Poren eines anderen Materials getragen sein.
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In
der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ist das ionenleitende
Element 4 eine für
Kationen durchlässige
protonenleitende Membran mit H+-Ionen als
dem mobilen Ion, wobei das Brennstoffgas Wasserstoff (oder Reformat)
ist und das Oxidationsmittel Sauerstoff oder Luft ist. Die Gesamtzellenreaktion
ist die Oxidation von Wasserstoff zu Wasser, und die jeweiligen
Reaktionen an der Anode und Kathode sind H2 ⇌ 2H+ + 2e- (Anode) und ½ O2 + 2H+ + 2e- ⇋ H2O (Kathode).
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Die
Zusammensetzung der Anodenelektrode 6 und der Kathodenelektrode 8 umfasst
bevorzugt elektrochemisch aktives Material, das in einem Polymerbinder
verteilt ist, der ähnlich
dem ionenleitenden Element 4 ein protonenleitendes Material,
wie beispielsweise NAFION® ist. Das elektrochemisch
aktive Material umfasst bevorzugt mit Katalysator beschichtete Kohlenstoff-
oder Graphitpartikel. Die Anodenelektrode 6 und die Kathodenelektrode 8 umfassen
bevorzugt Platin-Ruthenium, Platin oder andere Pt/Übergangsmetalllegierungen
als Katalysator. Obwohl die Anode 6 und die Kathode 8 in
den Figuren mit gleicher Größe gezeigt
sind, sei angemerkt, dass es nicht außerhalb des Schutzumfangs der
Erfindung liegt, dass die Anode 6 und Kathode 8 verschiedene Größen besitzen
können
(d. h. die Kathode größer als
die Anode ist oder umgekehrt). Eine bevorzugte Dicke der Anode und
Kathode liegt im Bereich von etwa 2–30 µm und am bevorzugtesten bei
etwa 10 µm.
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Die
Gasdiffusionsmedien 10 und 12 wie auch Flächendichtungen 14 und 16 können beliebige
in der Technik bekannte Gasdiffusionsmedien bzw. Dichtungen sein.
Bevorzugt sind die Gasdiffusionsmedien 10 und 12 Kohlenstoffpapiere,
Kohlenstoffgewebe oder Kohlenstoffschäume mit einer Dicke im Bereich
von etwa 50–300 µm. Die
Flächendichtungen 14 und 16 sind
typischerweise von elastomerer Beschaffenheit, können jedoch auch Materialien
umfassen, wie beispielsweise Polyester und PTFE. Jedoch können die
Flächendichtungen 14 und 16 aus einem
beliebigen Material bestehen, das zum Abdichten der Membranelektrodenanordnung 2 geeignet
ist. Eine bevorzugte Dicke der Flächendichtungen 14 und 16 beträgt in etwa ½ der Dicke
der Gasdiffusionsmedien 10 und 12 bis etwa dem
1 ½-fachen der
Dicke der Gasdiffusionsmedien 10 und 12.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der in 1 gezeigten Erfindung sind die Anodenelektrode 6 und
die Kathodenelektrode 8 an entgegengesetzten Flächen des
ionenleitenden Elementes 4 angeordnet, so dass das ionenleitende
Element 4 vollständig
bedeckt wird. Durch die Anordnung der Elektroden 6 und 8,
so dass das ionenleitende Element 4 vollständig bedeckt
ist, wird ein Schutz für
das ionenleitende Element 4 vor einem Durchstechen durch die
Fasern der porösen
Gasdiffusionsmedien 10 und 12 vorgesehen. Überdies
wird durch das Anordnen der Elektroden 6 und 8,
so dass das ionenleitende Element 4 vollständig bedeckt
ist, eine mechanische Abstützung über die
gesamte Oberfläche
des ionenleitenden Elementes 4 vorgesehen.
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Vor
einer weiteren Beschreibung der Erfindung ist es nützlich,
das bei der Konstruktion nach dem Stand der Technik beschriebene
Problem hier besser zu erläutern.
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Die
MEA 24 nach dem Stand der Technik, wie in 2 gezeigt
ist, umfasst Elektroden 26 und 28 mit einer wesentlich
kleineren Oberfläche
im Vergleich zu dem Membranelektroyten 30, so dass Ränder 32 des
Membranelektroyten 30 von den Elektroden 26 und 28 nach
außen
vorstehen. An diesen Rändern 32 des
Membranelektrolyten 30 ruhen Nebendichtungen 34 und 36,
die so angeordnet sind, dass sie die Elektroden 26 und 28 umgeben.
Die Gasdiffusionsmedien 38 und 40 sitzen auf den
Nebendichtungen 34 und 36. Die Flächendichtungen 42 und 44 umgeben
die Gasdiffusionsmedien 38 und 40.
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Aufgrund
der Schwierigkeit beim Herstellen enger Toleranzen ist ein Spalt 50 zwischen
der Elektrode 26 und der Nebendichtung 34 vorgesehen.
Ein ähnlicher
Spalt 52 ist zwischen der Elektrode 28 und der
Nebendichtung 36 vorgesehen. Diese Spalte 50, 52 dienen
als dynamisches Gelenk, das ein Biegen der Membran 32 zulässt. Eine
derartige Gelenkwirkung führt
zu Spannungen und Rissen, Auftrennungen oder Löchern. Dies führt auch
zu Spannung, wenn die Druckkraft, die auf die Membran 32 wirkt, sich
aufgrund einer derartigen Höhendifferenz
unterscheidet. Wenn beispielsweise die Nebendichtung 34 oder 36 höher als
die der Elektrode 26 oder 28 ist, werden die Druckkräfte auf
die Nebendichtung 34 oder 36 zu hoch, und, wenn
die Nebendichtung 34 oder 36 kürzer als die Elektrode 26 oder 28 ist,
werden die Druckkräfte
auf die Elektrode 26 oder 28 zu hoch. Somit bewirkt
die im Stand der Technik typische Anordnung einen kleinen Spalt,
der zwischen den Nebendichtungen 34 und 36 und
den Elektroden 26 und 28 ausgebildet ist. Dieser
kleine Spalt führt dazu,
dass ein kleiner Anteil des Membranelektrolyten 32 nicht
gestützt
wird. Wenn ferner die Nebendichtungen 34 und 36 dicker
als die Elektroden 26 und 28 sind, bilden diese
eine "Stufe", auf der die Gasdiffusionsmedien 38 und 40,
die typischerweise aus porösem
Graphit- bzw. Kohlenstoffpapier bestehen, ruhen. Die Gasdiffusionsmedien 38 und 40 unterstützen eine
Verteilung von Reaktandengasen H2 und O2 über
die Elektroden 26 und 28 und leiten Strom von
den Elektroden 26 und 28 an Stege der elektrisch
leitenden bipolaren Platten (nicht gezeigt). Um die elektrische
Leitfähigkeit
zwischen den Gasdiffusionsmedien 38 und 40 und
Elektroden 26 und 28 zu erleichtern, muss die
Membranelektrodenanordnung 24 daher unter hohem Druck komprimiert werden.
Dies übt
eine hohe Spannung auf den nicht gestützten Abschnitt des Membranelektrolyten 32 aus,
was zur Folge haben kann, dass sich dort kleine Nadellöcher oder
Risse. entwickeln können.
Die Nadellöcher
werden auch durch die Kohlenstoff- oder Graphitfasern der Diffusionsmedien 38 und 40 bewirkt,
die den Membranelektrolyten 32 durchstechen. Diese Nadellöcher und
Risse bewirken, dass die Brennstoffzelle kurzgeschlossen wird und
ein geringeres Zellenpotential erzeugt.
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Es
sei angemerkt, dass, obwohl die Nebendichtungen 34 und 36 in 2 unterhalb
der Flächendichtungen 42 und 44 dargestellt
sind, die Nebendichtungen 34 und 36 nicht unbedingt
verwendet werden müssen.
Genauer können
nur Flächendichtungen 42 und 44 vorhanden
sein, die direkt auf den Membranelektrolyten 30 aufgebracht
sind. Dennoch wären
aufgrund von Herstellungstoleranzen Spalte 50 und 52 vorhanden,
und daher wäre
der Membranelektrolyt 30 immer noch ungestützt und einer übermäßigen Spannung
bei Kompression in einem Stapel ausgesetzt.
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Demgemäß stellt
eine gleichförmige
mechanische Abstützung
des ionenleitenden Elementes 4, das ein sehr empfindliches
Material darstellt und durch die vorliegende Erfindung vorgesehen
wird, eine erhebliche Verbesserung vor, die mögliche Änderungen der Druckkraft auf
das ionenleitende Element 4 verringert, wodurch die Wahrscheinlichkeit von
Rissen und einem Brechen verringert wird. Wenn ein perfluoriertes
Sulfonsäurepolymer,
wie beispielsweise NAFION®, verwendet wird, wird überdies
eine lineare Ausdehnung des ionenleitenden Elementes 4 ein
Problem. Insbesondere in Anwesenheit von Wasser können perfluorierte
Sulfonsäurepolymere,
wie beispielsweise NAFION®, eine Wasseraufnahme
von bis zu 50% und eine lineare Ausdehnung besitzen, die zwischen
15 und 50% liegt (15%, wenn das Element 4 unbeschränkt ist,
und bis zu 50%, wenn das Element 4 auf Bewegungen in nur
einer Abmessung beschränkt
ist (das letztgenannte ist der Fall für MEAs, die in einem Brennstoffzellenstapel
eingebaut sind)). Wenn die Gesamtreaktion der Brennstoffzelle als
ein Produkt Wasser erzeugt, kann dieses "Aufschwellen" des ionenleitenden Elementes 4 zur
Folge haben, dass das ionenleitende Element 4 um seine
Ränder
herum ungestützt
bleibt.
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Wenn
die Anodenelektrode 6 und Kathodenelektrode 8 derart
angeordnet werden, dass sie die gesamte Oberfläche des ionenleitenden Elementes 4 vollständig bedecken
(siehe 1), ist diese lineare Ausdehnung jedoch beschränkt, und
daher bleibt das ionenleitende Element 4 über seine
gesamte Fläche gestützt. Wie
oben beschrieben ist, bestehen die Anodenelektrode 6 und
Kathodenelektrode 8 aus mit Katalysator beschichteten Kohlenstoff-
oder Graphitpartikeln, die in einem Polymerbinder eingebettet sind,
der ähnlich
dem ionenleitenden Element 4 ein protonenleitendes Material
ist, wie beispielsweise NAFION®. Obwohl ein Polymer-
oder Ionomerbinder verwendet wird, wie beispielsweise NAFION®,
führt das
Anschwellen des Binders zu keinen größeren Abmessungsänderungen
der Elektroden, da das Ionomer in der Elektrode sich in die Poren
in der Elektrode ausdehnen kann (ein typischer Porenvolumenanteil
von Elektroden beträgt
50 ± 25%).
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Die
Kohlenstoff- oder Graphitpartikel schwellen in der Anwesenheit von
Wasser nicht an, sind sehr porös
und besitzen eine große
Oberfläche. Wenn
die Anode 6 und Kathode 8 in der feuchten Brennstoffzelle
befeuchtet werden, schwillt der Binder an und füllt die Poren zwischen dem
Kohlenstoff oder Graphit. Da der anschwellende Binder die Poren der
Kohlenstoff- oder Graphitpartikel füllt, ist eine lineare. Ausdehnung
der Elektroden 6 und 8 beschränkt. Somit ist, wenn die Anodenelektrode 6 und Kathodenelektrode 8 an
die gesamte Oberfläche
des innenleitenden Elementes 4 angehaftet sind, die lineare
Ausdehnung des ionenleitenden Elementes 4 in der Ebene
ebenfalls beschränkt.
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Ferner
sei zu verstehen, dass die Anodenelektrode 6 und Kathodenelektrode 8 über das
ionenleitende Element 4 als kontinuierliche glatte Schicht angeordnet
sind, die eine im Wesentlichen flache Oberfläche für die anderen Elemente der
MEA 2 vorsehen, die darauf ruhen. Dies ist nützlich,
da, wenn Elemente, wie beispielsweise die Diffusionsmedien 10 und 12 und
Flächendichtungen 14 und 16 zusammen
mit der MEA 2 (siehe 1) in einer
Brennstoffzelle komprimiert werden, um die elektrische Leitfähigkeit
der in der elektrochemischen Reaktion der Brennstoff zelle erzeugten
Elektronen zu erleichtern und zu steigern, das ionenleitende Element 4 über seine
gesamte Oberfläche
hinweg einem gleichförmigen
Druck ausgesetzt wird. Wenn das ionenleitende Element 4 über seine
gesamte Fläche
gleichförmigen Drücken ausgesetzt
wird, werden größere Spannungen
an dem ionenleitenden Element 4 vermieden. Somit werden
auch die Risse und Nadellöcher,
die sich entwickeln können
und die Lebensdauer der MEA verkürzen
und das Gesamtzellenpotential hemmen können, ebenfalls vermieden.
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Obwohl
mit Katalysator beschichtete Kohlenstoff- oder Graphitpartikel,
die in einem protonenleitenden Binder, wie beispielsweise NAFION® verteilt sind,
beschrieben und bevorzugt sind, besteht ein wesentlicher Aspekt
der vorliegenden Erfindung darin, dass das ionenleitende Element 4 über seine
gesamte Oberfläche
den gleichen mechanischen Eigenschaften ausgesetzt wird. Somit liegt
es nicht außerhalb
des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung, die kohlenstoff- oder
graphitgestützten
Katalysatorpartikel und den protonenleitenden Binder durch andere
Materialien zu setzen. Beispielsweise können elektrisch leitende Oxide
und insbesondere elektrisch leitende Metalloxide als Trägermaterial
für die katalytisch
aktive Phase (beispielsweise Pt, Pt-Metalle, Pt-Legierungen etc.)
anstatt Kohlenstoff verwendet werden, oder alternativ können nicht
gestützte Katalysatoren
(beispielsweise Pt-Schwarz, Pt-Metall-Schwarz etc.) verwendet werden.
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Es
ist ebenfalls vorzuziehen, dass die oben erwähnten Katalysatorträgermaterialien
eine Partikelgröße von gleich
oder weniger als 15 μm
besitzen, in der Brennstoffzellenumgebung (d. h. einer sauren Umgebung
mit anodischen Potentialen (0 V gegenüber RHE) in der Anwesen heit
von H2, bei kathodischen Potentialen (1,2
V gegenüber
RHE) in der Anwesenheit von Luft oder O2 und
Spuren von Fluorid) chemisch stabil sind und eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit
bevorzugt gleich oder größer als
die von Kohlenstoff- oder Graphitpartikeln besitzen.
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Bei
einer besonderen Abwandlung der ersten Ausführungsform kann es vorzuziehen
sein, dass die Anodenelektrode 6 und Kathodenelektrode 8 jeweils
ein Zentralgebiet 18 und ein Umfangsgebiet 20 umfassen,
wie in den 3a, 3b und 4 gezeigt
ist. Das Zentralgebiet 18 umfasst einen ersten Katalysatorgehalt,
und das Umfangsgebiet 20, das das Zentralgebiet 18 einrahmt,
umfasst einen zweiten Katalysatorgehalt, wobei der erste Katalysatorgehalt
größer als
der zweite Katalysatorgehalt ist. Genauer ist bevorzugt, dass das
Zentralgebiet 18 der Anode 6 und Kathode 8 eine
Katalysatorbeladung im Bereich von etwa 0,05–0,5 mg/cm2 der
katalytisch aktiven Phase (beispielsweise Pt) umfasst. Es ist besonders
bevorzugt, dass das Zentralgebiet eine Katalysatorbeladung von etwa
0,2 mg/cm2 der katalytisch aktiven Phase
(beispielsweise Pt) umfasst. Das Umfangsgebiet 20 umfasst
bevorzugt eine Katalysatorbeladung, die kleiner als die der oben
beschriebenen Bereiche ist, und umfasst am bevorzugtesten eine Katalysatorbeladung
von Null.
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Es
besteht keine Beschränkung
hinsichtlich dessen, wie die Anodenelektrode 6 und Kathodenelektrode 8 angeordnet
werden müssen,
um das ionenleitende Element 4 zu schützen und das Element 4 gleichförmigen mechanischen
Eigenschaften auszusetzen. In 3a sind
die Anodenelektrode 6 und Kathodenelektrode 8 mit
dem Zentralgebiet 18 und dem Umfangsgebiet 20 an
das ionenleitende Element 4 beschichtet, so dass das ionenleitende
Element 4 vollständig
bedeckt ist. Die Diffusi onsmedien 10 und 12 ruhen
auf der Anodenelektrode 6 und der Kathodenelektrode 8.
Flächendichtungen 14 und 16 rahmen
die Diffusionsmedien 10 und 12 ein und ruhen auch
auf der Anodenelektrode 6 und Kathodenelektrode 8,
um den Zusammenbau 2 abzudichten. Die Flächendichtungen 14 und 16 wie
auch die Diffusionsmedien 10 und 12 können, müssen jedoch nicht,
an die Anodenelektrode 6 und Kathodenelektrode 8 laminiert
sein.
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Im
Gegensatz dazu kann, wie in 3b gezeigt
ist, die Anodenelektrode 6 und Kathodenelektrode 8 auf
die Diffusionsmedien 10 und 12 beschichtet werden.
Die Flächendichtungen 14 und 16 sind nun
so angeordnet, dass sie mit dem ionenleitenden Element 4 in
Kontakt stehen. Die Diffusionsmedien 10 und 12,
die die Anode 6 und Kathode 8 umfassen, können, müssen jedoch
nicht an das ionenleitende Element 4 laminiert sein. Ferner
können
die Flächendichtungen 14 und 16,
müssen
jedoch nicht, an die Diffusionsmedien 10 und 12 laminiert
sein.
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Es
sei zu verstehen, dass, wenn die Anodenelektrode 6 und
Kathodenelektrode 8 auf die Membran 4 beschichtet
sind, sich die Anodenelektrode 6 und Kathodenelektrode 8 nicht
unbedingt an die Ränder
der Membran 4 erstrecken, wie in 3a gezeigt ist.
Genauer können
die Anodenelektrode 6 und Kathodenelektrode 8 an
die Membran 4 ähnlich
der in 3b gezeigten Ausgestaltung beschichtet
sein, wobei die Flächendichtungen 14 und 16 auch
angeordnet sind, um mit dem ionenleitenden Element 4 in Kontakt
zu treten.
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Es
sei ebenfalls angemerkt, dass eine definitive Grenze zwischen dem
Zentralgebiet 18 und dem Umfangsgebiet 20 nicht
unbedingt vorhanden sein muss, wie in den 3a, 3b und 4 gezeigt ist.
Genauer sei zu verstehen, dass im Wesentlichen ein Gefälle zwischen
dem Zentralgebiet 18 und dem Umfangsgebiet 20 vorhanden
ist, so dass der Gehalt an Katalysator allmählich von einem größeren Gehalt in
dem Zentralgebiet 18 zu einem geringeren Gehalt in dem
Umfangsgebiet 20 verläuft.
Dieses Gefälle
ist über
den Verlauf von beispielsweise 1 mm vorhanden.
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Es
sei ebenfalls angemerkt, dass ein anderer wichtiger Aspekt der Erfindung
darin besteht, eine Ungleichmäßigkeit
von Material in der Elektrode der Anode 6 und Kathodenelektrode 8 zu
vermeiden. Genauer sollten die Anodenelektrode 6 und Kathodenelektrode 8 in
dieser Variation jeweils als eine glatte kontinuierliche Schicht
vorhanden sein, so dass das ionenleitende Element 4 einer
Elektrodenschicht gegenüberliegt,
die im Wesentlichen gleichförmige
mechanische Eigenschaften über
ihre gesamte Oberfläche
aufweist, was das ionenleitende Element 4 vor Spannung, Überkompression,
wie auch Durchstechen schützt. Überdies
kann die Bearbeitung der MEA (wie beispielsweise Heißpressen
zur über
Abziehplättchenübertragung
von Elektroden auf eine Membran) zur Herstellung von MEAs durch
die Konstruktion nach dem Stand der Technik eine Schwächung der
Katalysatorränder
bewirken. Dies kann durch die Eigenschaft der Ionomermaterialien
zurückzuführen sein,
bei hohen Temperaturen (> 90°C) und hohem
Druck zu fließen,
was durch die Anwesenheit des vorstehenden Katalysatorrandes noch verschlimmert
wird. Die Herstellung einer MEA ohne Rand durch Einführung eines
Umfangs macht dies zu einem kleineren Problem.
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Die
Verwendung einer Elektrodenausgestaltung, bei der das Zentralgebiet 18 einen
Katalysatorgehalt besitzt, der größer als ein Kataly satorgehalt des
Umfangsgebietes 20 ist, sieht einen Vorteil darin vor,
dass der teure Katalysator, der bevorzugt Metallkatalysatoren umfasst,
wie beispielsweise Platin, Palladium, Titan, Ruthenium, Rhodium,
Wolfram, Zinn oder Molybdän,
nicht in Bereichen verwendet wird, bei denen die (elektro-)chemische
Reaktion gehemmt oder nicht gewünscht
ist. Ein derartiger Bereich ist an den Rändern der elektrisch leitenden Gasdiffusionsmedien 10 und 12 angeordnet.
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Ein
anderer Vorteil einer Konstruktion, bei der der Katalysatorgehalt
in dem Umfangsgebiet 20 kleiner als in dem Zentralgebiet 18 ist,
besteht darin, dass die Erzeugung von Wärme unterdrückt wird. Die elektrochemische
Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle erzeugt
zusätzlich zu
Wasser Wärme.
In einer Brennstoffzelle wird die Wärme, die durch die elektrochemische
Reaktion (oder durch chemische Reaktion aufgrund entweder einer
Gasdurchdringung durch die Membran oder Gasdurchquerung durch Nadellöcher in
der Membran) erzeugt wird, von den porösen Gasdiffusionsmedien 10 und 12 weg
transportiert. Bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung erstrecken sich jedoch die Anoden- und Kathodenelektroden 6 und 8 von
den Gasdiffusionsmedien 10 und 12 nach außen, um
das empfindliche ionenleitende Element 4 vor Spannung und
Durchstechen zu schützen.
Obwohl die elektrochemischen Reaktionsraten in Gebieten außerhalb
der Diffusionsmedien 10 und 12 (aufgrund schlechter
elektrischer Leitung in der Ebene in den Elektroden) stark verringert
sind, wird immer noch Wärme
erzeugt, da der Katalysator immer noch vorhanden und den gasförmigen Reaktanden ausgesetzt
ist. Da die gasförmigen
Reaktanden Zugang zu dem Katalysator besitzen, läuft die elektrochemische Reaktion
der Brennstoffzelle in dem Umfangsgebiet 20 immer noch
werter, was Wärme
erzeugt; insbesondere in dem Fall kleiner Membrannadellöcher führt die
Durchdringung von Reaktand (H2 oder O2) zu einer chemischen Reaktion, die Wärme erzeugt.
Somit verringert eine Reduzierung des Katalysatorgehalts über ein
Gefälle
zwischen dem Zentralgebiet 18 und dem Umfangsgebiet 20 bevorzugt auf
Null die Menge an erzeugter Wärme
und unterdrückt
diese.
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Zu
der Abwandlung der ersten Ausführungsform,
die das Zentralgebiet 18 und das Umfangsgebiet 20 umfasst,
ist anzumerken, dass verschiedene Materialien für das Zentralgebiet 18 und
das Umfangsgebiet 20 verwendet werden können, solange die mechanischen
Eigenschaften jedes Gebietes im Wesentlichen gleich sind, so dass
keine Uneinheitlichkeit in den Eigenschaften entlang der Oberflächen des
ionenleitenden Elementes 4 auftritt.
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Nun
wird eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung anhand der 3a, 3b und 4 beschrieben.
Wie bisher oben in der ersten Ausführungsform beschrieben und
am besten in 3 gezeigt ist, umfassen
die Anodenelektrode 6 und Kathodenelektrode 8 ein
Zentralgebiet 18 und ein Umfangsgebiet 20. Das
Zentralgebiet 18 umfasst bevorzugt ein elektrochemisch
aktives Material, Kohlenstoff- oder Graphitpartikel und einen Ionomerbinder.
Das Umfangsgebiet 20 umfasst auch Kohlenstoff- oder Graphitpartikel
und ein Ionomer, enthält
jedoch bei der zweiten Ausführungsform
kein elektrochemisch oder chemisch aktives Material.
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Eine
Elektrodenausgestaltung, bei der das Umfangsgebiet 20 kein
elektrochemisch aktives Material enthält, steigert die Wärmeleitfähig keitseigenschaften
des Umfangsgebiets 20 weiter. Da kein (elektro-)chemisch
aktives Material in dem Umfangsgebiet 20 der zweiten Ausführungsform
vorhanden ist, erfolgt keine (elektro-)chemische Reaktion in dem Umfangsgebiet 20.
Somit wird in dem Umfangsgebiet 20 keine Wärme erzeugt.
Das Umfangsgebiet 20 steigert jedoch wirksam die Leitung
von Wärme
weg von dem Zentralgebiet 18 der Elektroden 6 und 8, was
den Betrieb der Brennstoffzelle steigert. Zusätzlich sieht das Umfangsgebiet
auch einen Schutz der Membran 4 vor einem mechanischen
Durchstechen durch die Diffusionsmedien 10 und 12 vor.
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Beispielsweise
kann das Zentralgebiet 18 und das Umfangsgebiet 20 (siehe 3 und 5)
oder 22 (siehe 5) verschiedene
Partikel und verschiedene Binder umfassen. Genauer kann ein partikulärer Stoff,
wie beispielsweise Siliziumcarbid, Titandioxid, beliebige andere
Keramiken oder andere Materialien, die eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit
besitzen, die bevorzugt gleich oder größer als die von Kohlenstoff
ist, anstelle von Kohlenstoff- oder Graphitpartikeln in dem Umfangsgebiet 20 oder 22 verwendet
werden. Diese Partikel können,
müssen
jedoch nicht elektrisch leitend sein. Es ist auch vorzuziehen, dass
dieser partikuläre
Stoff eine Partikelgröße von gleich
oder kleiner als 15 µm
besitzt, in der Brennstoffzellenumgebung (d. h. in einer sauren
Umgebung bei anodischen Potentialen (0 V gegenüber RHE) in der Anwesenheit
von H2, kathodischen Potentialen (1,2 V
gegenüber
RHE) in der Anwesenheit von Luft oder O2 und
Spuren von Fluorid) chemisch stabil ist und eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit besitzt,
die bevorzugt gleich oder größer als
die von Kohlenstoff- oder
Graphitpartikeln ist.
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Ein
Beispiel eines Binders, der in dem Umfangsgebiet 20 (siehe 3 und 5)
oder Gebiet 22 (siehe 5)
anstelle des protonenleitenden Binders verwendet werden kann, ist
Polybenzimidazol (PBI). Andere Binder können ebenfalls geeignet sein,
solange sie eine gute Anhaftung an der ionomeren Membran beibehalten,
in der Brennstoffzellenumgebung (d. h. einer sauren Umgebung bei
anodischen Potentialen (0 V gegenüber RHE) in der Anwesenheit von
H2, kathodischen Potentialen (1,2 V gegenüber RHE)
in der Anwesenheit von Luft oder O2 und
Spuren von Fluorid) chemisch stabil sind, bis zu 150°C und bevorzugt
bis zu 200°C
thermisch stabil sind, bevorzugt aus Lösungen gießbar sind und eine gute Beibehaltung
ihrer mechanischen Eigenschaften aufweisen, nachdem die gegossenen
Filme Temperaturverläufe
von bis zu 150°C
aushalten mussten. Beispielsweise können Polymerbinder, wie beispielsweise
PBI, Kynar® Polyester,
Polyethylen und andere Polymerbinder, die für eine Brennstoffzellenumgebung
geeignet sind, einheitlich verwendet werden.
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Wie
in dem Fall der ersten Ausführungsform können neben
Kohlenstoff oder Graphit andere Materialien für das Zentralgebiet 18 und
das Umfangsgebiet 20 verwendet werden, solange die mechanischen
Eigenschaften jedes Gebietes im Wesentlichen die gleichen sind,
so dass keine Uneinheitlichkeit in den Eigenschaften entlang der
Oberflächen des
ionenleitenden Elementes 4 auftritt.
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Nun
wird eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung anhand der 5a und 5b beschrieben.
Wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform umfasst die MEA
der dritten Ausführungsform
bevorzugt ein Zentralgebiet 18 aus elektrochemisch aktivem
Material, Kohlenstoff- oder Graphitpartikeln und einem Ionomer.
Jedoch können in dem
Gebiet 18 andere katalytisch aktive Materialien als die,
die bei der ersten Ausführungsform
beschrieben wurden, verwendet werden. In dem Umfangsgebiet 20 können entweder
Trägermaterialien ohne
Katalysator mit derselben Beschaffenheit wie in Gebiet 18 verwendet
werden, oder es können
andere Partikel und Binder, wie bei der zweiten Ausführungsform
beschrieben ist, verwendet werden. Die MEA der dritten Ausführungsform
umfasst jedoch auch ein Dichtungsgebiet 20 benachbart des
Umfangsgebiets 20 (in 5a gezeigt).
Das Dichtungsgebiet 22 verhindert den Austritt gasförmiger Reaktanden
von der Brennstoffzelle und besteht aus einem Harz, wie beispielsweise
Polyvinylidenfluorid, das in einem Teil des Umfangsgebiets 20 dispergiert
ist. Polyvinylidenfluorid ist ein thermoplastisches Harz, das mit
der Handelsbezeichnung Kynar® von Elf Atochem vertrieben
wird.
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Obwohl
der Zusatz des Dichtungsgebietes 22 den Austritt der gasförmigen Reaktanden
von der Brennstoffzelle verhindert, sieht das Dichtungsgebiet 22 auch
den Vorteil einer Steigerung der mechanischen Festigkeit wie auch
Widerstandsfähigkeit
der Ränder
der MEA-Anordnung vor, so dass das ionenleitende Element 4 weiter
vor Spannung und Durchstechen von den Gasdiffusionsmedien 10 und 12 bei Kompression
in einem Brennstoffzellenstapel geschützt ist. Die Anodenelektrode 6 und
Kathodenelektrode 8 umfassen jeweils poröse Kohlenstoff-
oder Graphitpartikel wie auch einen Ionomerbinder und sind durch
einen großen
Porenvolumenanteil (50 ± 25%)
gekennzeichnet, der das Entweichen der Reaktandengase ermöglichen
kann. Der Zusatz des Dichtungsgebietes 22, das das Dichtungsmaterial,
wie beispielsweise Kynar® umfasst, füllt diese
verbleibenden Porenbereiche, wodurch eine erhöhte mechanische Festig keit
zusätzlich
zu einer effektiveren Abdichtung der MEA 2 vor einem seitlichen
Austritt der Reaktandengase vorgesehen wird.
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Es
sei zu verstehen, dass, obwohl Kynar® bevorzugt
ist, jedes Harz verwendet werden kann, solange es eine niedrige
Durchlässigkeit
für Gase und
Flüssigkeiten
besitzt und gegenüber
den meisten Chemikalien und Lösemitteln
beständig
ist. Ferner sollte das Harz, das gewählt werden kann, bis zu Temperaturen
von größer als
150°C und
bevorzugt größer als
200°C wärmebeständig sein,
so dass es die raue Brennstoffzellenumgebung aushalten kann. Ein
Beispiel eines derartigen Harzes, das verwendet werden kann, jedoch
nicht als alleiniger Ersatz für
Kynar® verstanden
werden soll, ist ein Epoxydharz.
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Des
Weiteren kann, wie in 5b gezeigt ist, das Harz auch
dazu verwendet werden, Ränder der
Diffusionsmedien 10 und 12 zur Bildung einer Dichtung 54 zu
beschichten. Die Beschichtung der Ränder der Diffusionsmedien mit
der Dichtung 54 kann daher die Verwendung der Flächendichtungen 14 und 16 beseitigen.
Es sei jedoch angemerkt, dass die Flächendichtungen 14 und 16 in 5b (obwohl keine
Flächendichtungen 14 und 16 gezeigt
sind) gegebenenfalls immer noch verwendet werden können.
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Bei
jeder der obigen Ausführungsformen kann
das Zentralgebiet 18 wie auch das Umfangsgebiet 20 mit
fein geteilten katalytischen Partikeln als Katalysator versehen
sein, so dass das Gewichtsverhältnis
der katalytischen Partikel zu Kohlenstoff- oder Graphitpartikeln
des Umfangsgebiets 20 kleiner als das des Zentralgebiets 18 ist.
Es ist offensicht0lich, dass, wenn das Umfangsgebiet 20 keine
Katalysatorpartikel enthält und
das Zentralgebiet 18 mit Katalysator versehen ist, diese
Bedingung erfüllt
ist. Bei der Ausführungsform,
bei der katalytische Partikel in beiden Gebieten enthalten sind,
ist es vorzuziehen, dass das Gewichtsverhältnis von katalytischen Partikeln zu
Kohlenstoffpartikeln in dem Zentralgebiet 18 größer als
das in dem Umfangsgebiet 20 ist.
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Nun
wird ein Verfahren zum Herstellen einer MEA 2 gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. Um die Anode 6 und Kathode 8 der
MEA herstellen zu können,
werden mit Katalysator versehene Kohlenstoffpartikel vorbereitet
und dann mit dem Ionomerbinder in Lösung mit einem Gusslösemittel kombiniert.
Bevorzugt umfasst die Anode 6 und Kathode 8 1/3
Kohlenstoff oder Graphit, 1/3 Ionomer und 1/3 Katalysator. Bevorzugte
Gusslösemittel
sind von wässriger
oder alkoholischer Beschaffenheit, jedoch können auch Lösemittel, wie beispielsweise
Dimethylessigsäure
(DMAc) oder Trifluoressigsäure (TFA)
verwendet werden.
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Die
Gusslösung
wird auf eine Tafel aufgebracht, die zur Verwendung in einem Abziehplättchenverfahren
geeignet ist, wobei die Tafel bevorzugt eine teflonierte Tafel ist.
Die Tafel wird anschließend an
ein ionenleitendes Element 4, wie beispielsweise eine PEM,
heißgepresst.
Die Tafel wird dann von dem ionenleitenden Element 4 abgezogen,
und der mit Katalysator beschichtete Kohlenstoff oder Graphit bleibt
als eine kontinuierliche Elektrode 6 oder 8 eingebettet,
wodurch die MEA 2 vollständig gebildet wird.
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Um
die Elektroden 6 und 8 herzustellen, die ein zentrales
Gebiet 18 und ein Umfangsgebiet 20 umfassen, können zwei
Gusslösungen
verwendet werden. Insbesondere wird eine erste Gusslösung auf
die Tafel aufgebracht, die für
ein Abziehplättchenverfahren
geeignet ist, um das Zentralgebiet 18 der Elektrode 6 oder 8 zu
bilden. Die erste Gusslösung besitzt
einen vorbestimmten Gehalt an katalytischen Partikeln, die darin
enthalten sind. Eine zweite Gusslösung wird anschließend auf
die Tafel als ein Umfangsgebiet 20 aufgebracht, das das
Zentralgebiet 18 um den Umfang herum einrahmt. Die zweite Gusslösung besitzt
auch einen vorbestimmten Gehalt an katalytischen Partikeln. Gemäß der vorliegenden
Erfindung besitzt die zweite Gusslösung einen Gehalt an katalytischen
Partikeln, der kleiner als der der ersten Gusslösung ist, oder sie braucht überhaupt
keinen Katalysator enthalten. Die Tafel wird anschließend an
ein ionenleitendes Element 4, wie beispielsweise eine PEM,
heiß gepresst
und dann von dem ionenleitenden Element 4 abgezogen, wobei das
Zentralgebiet 18 und die Umfangsgebiete 20 eingebettet
zurückbleiben
und damit die MEA 2 vollständig geformt wird. Bei einer
alternativen Ausführungsform
wird die Elektrode an der Membran oder an einer Schicht der Diffusionsmedien
ausgebildet.
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Die
zweite Gusslösung
wird direkt nach einem Aufbringen der ersten Gusslösung aufgebracht, so
dass die erste Gusslösung
noch nicht vollständig getrocknet
ist oder sich verfestigt hat. Das Aufbringen der Gusslösungen auf
diese Weise stellt sicher, dass glatte kontinuierliche Elektroden 6 und 8 an
dem ionenleitenden Element 4 ausgebildet werden, so dass keine
Uneinheitlichkeit in den Elektroden 6 und 8 vorhanden
ist. Ferner erlaubt ein Aufbringen der Gusslösungen auf diese Weise, dass
ein Gefälle
zwischen dem Zentralgebiet 18 und dem Umfangsgebiet 20 der Elektrode 6 oder 8 gebildet
wird. Bei einer Abwandlung des obigen Verfahrens kann es vorzuziehen sein,
die erste und zweite Gusslösung
im Wesentlichen gleichzeitig aufzubringen.
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Bezüglich eines
Verfahrens zum Herstellen einer MEA gemäß der dritten Ausführungsform,
die das Dichtungsgebiet 22 umfasst, soll die vorliegende Erfindung
nicht auf ein bestimmtes Verfahren zum Aufbringen des Dichtungsgebietes 22 beschränkt sein.
Beispielsweise kann das Dichtungsgebiet 22 auf das Umfangsgebiet 20 aufgestrichen
oder aufgesprüht
werden, wobei es dabei die verbleibenden Porengebiete füllen kann.
Auch kann das Dichtungsmaterial 22 in der zweiten Gusslösung enthalten
sein.
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Ein
Haltbarkeitsexperiment, das eine MEA gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung (1) mit einer
MEA nach dem Stand der Technik (2) vergleicht,
wird nun beschrieben. Bei dem Haltbarkeitsexperiment wurde das durchschnittliche
Zellenpotential über
die Zeit für
sowohl die MEAs der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung als auch der MEA nach dem Stand der Technik
gemessen.
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Der
Haltbarkeitstest wurde bei beschleunigten Hochtemperaturbedingungen
(Relative FeuchteAnode/Kathode: 75/50, 200
kpa(g), TStapel: 95°C) durchgeführt. Bei jeder MEA wurde eine
PEM verwendet, die aus einer 25 μm
dicken Membran in der Form einer 1100 EW (Äquivalentgewicht) Membran bestand (stranggepresstes
Nafion 111 in der Sulfonylfluoridform wurde bei DuPont
bezogen und durch IonPower, Inc. ionengetauscht). Diese Membranen
(weiter als N111 beschrieben) wurden auf Grundlage von Daten früherer Tests
gewählt,
die zeigten, dass die N111-Membrane
hinsichtlich der Haltbarkeit die schwächsten waren. Somit wird, wenn
durch den verbesserten Aufbau der vorliegenden Erfindung mit einer
schwächeren
Membran eine Haltbarkeit erreicht wird, eine robustere Membran eine
noch größere Wahrscheinlichkeit
einer erhöhten
Haltbarkeit aufweisen.
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In 6 ist
zu sehen, dass die MEA 24 nach dem Stand der Technik bei
etwa 45 Stunden ein niedrigeres Leerlaufzellenpotential aufwies.
Der Abfall des Zellenpotentials für die MEA 24 nach
dem Stand der Technik kann auf ohmsche Kurzschlüsse zurückgeführt werden, die sich in der
MEA 24 entwickeln. Diese Kurzschlüsse entwickeln sich, wenn die
Membran 30 durch die porösen Fasern der Gasdiffusionsmedien 38 und 40 durchstoßen wird
und die Membran 30 aufgrund der Kompression der MEA 24 gedehnt
wird. Zu einem späteren
Zeitpunkt (ca. 80 Stunden) entwickeln sich Nadellöcher in
der Membran 30, die sich mit der Zeit verschlimmern und
zu einem Ausfall der MEA führen.
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Ein
Vergleich von Leerlaufpotentialen (OCV) bei gleichen Reaktandendrücken gegen
Leerlaufpotentiale mit einem Anoden-(H2)-Druck, der höher als der
Kathoden-(Luft)-Druck ist, gibt einen bemerkenswerten Einblick in
die Nadellochbildung. Wenn das Leerlaufpotential mit einem Druckunterschied
im Vergleich zu einem Leerlaufpotential mit gleichen Drücken abgefallen
ist, gibt dies an, dass eine erhebliche H2-Durchquerung, d.
h. Nadellochbildung, vorhanden ist. Wie am besten in 6 zu
sehen ist, entwickeln sich ernsthafte Nadellöcher in der Membran 30 nach dem
Stand der Technik bei etwa 80–90
Stunden. Im Gegensatz dazu weist die MEA 2 gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ein gesundes Zellenpotential bis zu 175
Stunden auf, woraufhin ein Ausfall der Flächendichtung (Durchbrechen
der Membran an dem Rand der Flächendichtung)
auftrat, was in einer optimierten Brennstoffzellenausstattung nicht
auftreten würde.
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Bei
Beendigung des Experimentes wurde sowohl die MEA 24 nach
dem Stand der Technik als auch die MEA 2 gemäß der ersten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung auseinander gebaut. Die MEA 24 nach
dem Stand der Technik besaß einen ernsthaften
Nadellochschaden an den Elektroden-Membran- und Diffusionsmedien-Membran-Rändern. Die MEA 2 der
ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, bei der die Elektroden 6 und 8 ausgedehnt
wurden, so dass sie die Membran 4 bedeckten und stützten, besaß keinen
offensichtlichen Schaden. Jeder Ausfall der MEA 2 trat
lediglich an dem Rand der Flächendichtung
auf und würde
in einer optimierten Brennstoffzellenausstattung nicht auftreten.
Somit ist es offensichtlich, dass der verbesserte MEA-Aufbau der vorliegenden
Erfindung einen gesteigerten Schutz und eine gesteigerte Abstützung der
Membran vorsieht.
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Wie
zu sehen ist, sieht die Erfindung eine Membranelektrodenanordnung
vor, bei der die Elektrode eine Umfangsausdehnung besitzt, die bevorzugt
zumindest so groß wie
die der Membran und bevorzugt im Wesentlichen kontinuierlich ist,
um so Schwierigkeiten mit dem Gelenkeffekt und Schwierigkeiten mit
stufenartigen Höhenunterschieden
zu vermeiden, wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben
wurde. Bevorzugt besitzt die Elektrode der vorliegenden Erfindung
eine Hauptoberfläche,
die zumindest so groß ist
wie die Hauptoberfläche
der Membran, die diese trägt,
oder sich im Wesentlichen mit den gleichen Abmaßen wie der Hauptoberfläche der Membran
erstreckt. Bei dieser Anordnung dient die Elektrode dazu, ein Biegen
der Membran zu minimieren, indem der Gelenkeffekt, der bisher auf
der Basis einer Uneinheitlichkeit zwischen Schichten vorhanden war,
und Höhendifferenzen
zwischen Schichten vermieden werden, was zu einer nicht gleichförmigen Kompression
wie auch einem Kompressionskriechen der Membran geführt hat.
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Die
Elektrode der vorliegenden Erfindung wird geeignet durch herkömmliche
Mittel gegossen, um einen Elektrodenfilm zu bilden. In den elektrochemisch
aktiven Gebieten des Elektrodenfilms katalysieren Katalysatorpartikel
eine elektrochemische Reaktion zwischen Brennstoff und einem Oxidationsmittel.
In Umfangsgebieten des Filmes benachbart des aktiven Bereichs ist
der Katalysatorgehalt kleiner, oder derartige Umfangsbereiche besitzen
im Wesentlichen keinen Katalysator. Der Begriff "Katalysatorgehalt" betrifft weniger Katalysator pro Gewichtseinheit
an gegossenem Filmgebiet oder weniger Gewichtsverhältnis von
Katalysatorpartikeln zu Kohlenstoffpartikeln. In jedem Fall ist
die Katalysatorbeladung in dem aktiven Bereich relativ hoch, und
die Katalysatorbeladung in dem nicht aktiven Umfangsbereich ist
niedrig oder im Wesentlichen Null. Bevorzugt wird der kontinuierliche
Film durch Aufbringen eines ersten Gusslösemittels, das eine hohe Katalysatorbeladung
besitzt, und eines zweiten Gusslösemittels, das
keinen Katalysator besitzt, gebildet, wobei die zweite Gusslösung vor
einem vollständigen
Trocknen der ersten Gusslösung,
um einen Film zu formen, oder einem Härten der Gusslösung aufgebracht
wird. Damit wird überall
ein kontinuierlicher Film mit im Wesentlichen gleichwertiger Höhe gebildet,
der ein Gefälle
der Katalysatorbeladung von dem aktiven Bereich zu dem Umfangsbereich
aufweist. Ferner kann abhängig
von dem Grad, mit dem die erste Gusslösung gehärtet wird, bevor die zweite
Gusslösung
aufgebracht wird, ein Grenzflächenbereich
zwischen dem aktiven Gebiet und dem Umfangsgebiet ausgebildet werden,
der einen Zwischenkatalysatorgehalt aufweist, der an dem entfernten
Rand des Umfangsbereiches im Wesentlichen auf Null abfällt.
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Die
vorliegende Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit
sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als
innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung anzusehen. Derartige
Abwandlungen sind nicht als Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung
zu betrachten.