DE112004001685B4

DE112004001685B4 - Vorrichtung mit einer Membranelektrodenanordnung und Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung

Info

Publication number: DE112004001685B4
Application number: DE112004001685T
Authority: DE
Inventors: John P. Healy; Anastasios Angelopoulos; Clark G. Hochgraf
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-09-17
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2024-07-30
Also published as: CN1853295B; WO2005036670A2; CN1853295A; JP2007506246A; US20050058870A1; DE112004001685T5; US7132191B2; WO2005036670A3; JP4566995B2

Abstract

Vorrichtung mit einer Membranelektrodenanordnung, wobei die Membranelektrodenanordnung umfasst:
eine Kathodenkatalysatorschicht mit einem ersten Satz von Rändern;
eine Anodenkatalysatorschicht mit einem zweiten Satz von Rändern;
einen Festpolymerelektrolyt, der zwischen den Kathoden- und Anodenkatalysatorschichten vorgesehen ist, wobei das Festpolymer ein Ionomer und einen dritten Satz von Rändern aufweist, wobei die Anodenkatalysatorschicht eine Oberfläche in Kontakt mit dem Ionomer besitzt, die kleiner als eine Oberfläche der Kathodenkatalysatorschicht in Kontakt mit dem Ionomer ist und wobei der erste Satz von Rändern der Kathodenkatalysatorschicht näher als der zweite Satz von Rändern der Anodenkatalysatorschicht an dem dritten Satz von Rändern des Elektrolyten angeordnet ist;
eine erste Diffusionsschicht, an der die Kathodenkatalysatorschicht vorgesehen ist;
eine zweite Diffusionsschicht, an der die Anodenkatalysatorschicht vorgesehen ist;
eine erste Dichtung; und
eine zweite Dichtung, die die Oberfläche der Anodenkatalysatorschicht in Kontakt mit dem Ionomer dimensioniert;
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Dichtung zwischen dem Elektrolyten und der zweiten Diffusionsschicht angeordnet ist,
dass die erste Dichtung zwischen dem Elektrolyten und der ersten Diffusionsschicht angeordnet ist, und
dass die Oberfläche der Kathodenkatalysatorschicht in Kontakt mit dem Ionomer durch die erste Dichtung dimensioniert ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Protonenaustauschmembran(PEM)-Brennstoffzellen und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung (MEA) durch Steuerung einer MEA-Katalysatorschichtüberlappung, und die dadurch gebildete Vorrichtung.
Brennstoffzellensysteme mit Protonenaustauschmembran (PEM) werden derzeit zur Verwendung als Energieversorgungen für zahlreiche Anwendungen entwickelt, wie beispielsweise Transport, verteilte und tragbare Energie wie auch gleichzeitige Erzeugung. Derartige Systeme bieten die Aussicht einer ökonomischen Lieferung von Energie verbunden mit Umweltvorteilen und anderen Vorteilen. Allgemein benötigt eine erfolgreiche Kommerzialisierung von PEM-Brennstoffzellensystemen nicht nur eine angemessene Betriebszuverlässigkeit sondern auch eine dauerhafte Systemleistung für viele Betriebsjahre.
Eine Komponentenverschlechterung verringert die Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle. Eine Ausfallbetriebsart einer Membranelektrodenanordnung (MEA), die einen nachteiligen Effekt auf die Lebensdauer des gesamten Brennstoffzellensystems haben kann, ist ein Ionomerverschlechterung (Membranmaterialverlust). Abgesehen von dem Energieverlust, der damit in Verbindung steht, dass eine oder mehrere Zellen durch Spannungslecks ausfallen, weist diese Situation Zuverlässigkeitsprobleme auf. Demgemäß haben die vorliegenden Erfinder einen Bedarf nach Verbesserungen bei der MEA-Konstruktion erkannt, um ein PEM-Brennstoffzellensystem mit der verbesserten Lebensdauer vorzusehen.
Die US 6 261 711 B1 offenbart eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterer Stand der Technik ist aus der US 6 408 966 B1 und der US 5 270 132 A bekannt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung mit einer Membranelektrodenanordnung sowie ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung anzugeben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Vorrichtungsanspruchs 1 bzw. durch die Merkmale des Verfahrensanspruchs 14 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die vorliegende Erfindung erfüllt den oben erwähnten Bedarf durch Bereitstellung einer Konstruktion einer Membranelektrodenanordnung (MEA), die eine Ionomerverschlechterung durch Steuerung einer Katalysatorschichtüberlappung in der MEA beseitigt. Die vorliegenden Erfinder haben entdeckt, dass eine Ionomerverschlechterung an den Rändern der Katalysatorschicht nur in dem Teil der MEA auftritt, an dem sich der Anodenkatalysator über die Kathodenkatalysatorschicht hinaus erstreckt. Die vorliegende Erfindung beseitigt eine Ionomerverschlechterung dadurch, dass eine MEA konstruiert wird, bei der der Kathodenkatalysatorrand näher an dem Rand der Strömungsfeldplatte liegt, als der Anodenkatalysatorrand. In der Praxis bedeutet dies, dass die Fläche des Kathodenkatalysators größer als die Fläche des Anodenkatalysators ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf spezifische Vorteile oder eine spezifische Funktionalität beschränkt ist, sei angemerkt, dass eine Bereitstellung einer MEA mit einer Kathodenkatalysatorfläche, die größer als eine Anodenkatalysatorfläche ist, einen lokalen Membranausfall aufgrund eines Ionomerverlustes beseitigt.
Die Erfindung sieht eine Membranelektrodenanordnung (MEA) für eine Brennstoffzelle vor, die eine Ionomerverschlechterung berücksichtigt. Die MEA umfasst eine Kathodenkatalysatorschicht mit einem ersten Satz von Rändern, eine Anodenkatalysatorschicht mit einem zweiten Satz von Rändern und einen Festpolymerelektrolyt, der zwischen den Kathoden- und Anodenkatalysatorschichten vorgesehen ist. Das Festpolymer weist ein Ionomer und einen dritten Satz von Rändern auf. Der erste Satz von Rändern der Kathodenkatalysatorschicht befindet sich näher an dem dritten Satz von Rändern des Elektrolyten, als der zweite Satz von Rändern der Anodenkatalysatorschicht.
Bei einer Ausführungsform sieht die Erfindung eine Membranelektrodenanordnung (MEA) für eine Brennstoffzelle vor, die eine Ionomerverschlechterung berücksichtigt. Die MEA umfasst eine Kathodenkatalysatorschicht, die einen ersten Satz von Rändern aufweist, eine Anodenkatalysatorschicht, die einen zweiten Satz von Rändern aufweist, und einen Festpolymerelektrolyt, der zwischen den Kathoden- und Anodenkatalysatorschichten vorgesehen ist. Das Festpolymer weist ein Ionomer und einen dritten Satz von Rändern auf. Die Anodenkatalysatorschicht besitzt eine Oberfläche in Kontakt mit dem Ionomer, die kleiner als eine Oberfläche der Kathodenkatalysatorschicht in Kontakt mit dem Ionomer ist. Der erste Satz von Rändern der Kathodenkatalysatorschicht ist näher an dem dritten Satz von Rändern des Elektrolyten angeordnet, als der zweite Satz von Rändern der Anodenkatalysatorschicht.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelle auch ein Paar elektrisch leitender Strömungsfeldplatten, die schichtartig dazwischen die Diffusionsschichten, die Katalysatorschichten wie auch den Festpolymerelektrolyten anordnen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung für eine elektrochemische Brennstoffzelle berücksichtigt eine Ionomerverschlechterung. Das Verfahren umfasst, dass ein Festpolymerelektrolyt mit einem Ionomer und einer ersten und zweiten Fläche vorgesehen wird, eine Kathodenkatalysatorschicht an der ersten Fläche des Elektrolyten vorgesehen wird und eine Anodenkatalysatorschicht an der zweiten Fläche des Elektrolyten vorgesehen wird, so dass ein erster Satz von Rändern der Kathodenkatalysatorschicht näher an einem dritten Satz von Rändern des Elektrolyten als ein zweiter Satz von Rändern der Anodenkatalysatorschicht liegt.
Bei einer weiteren Ausführungsform sieht die Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor, das ein Brennstoffspeichersystem, das einen Brennstoff liefert, der Wasserstoff umfasst, ein Antriebssystem, eine Energieumwandlungskomponente, die von dem Brennstoffzellensystem erzeugte Elektrizität aufnimmt und reguliert, um das Antriebssystem zu steuern, eine optionale temporäre Energiespeicherung zum Speichern der erzeugten Elektrizität und eine Brennstoffzelle umfasst, die das Antriebssystem mit dem Brennstoff antreibt. Die Brennstoffzelle besitzt eine Kathodenkatalysatorschicht mit einem ersten Satz von Rändern, eine Anodenkatalysatorschicht mit einem zweiten Satz von Rändern und einen Festpolymerelektrolyt, der zwischen den Kathoden- und Anodenkatalysatorschichten vorgesehen ist. Der Festpolymerelektrolyt besitzt ein Ionomer und einen dritten Satz von Rändern, und der erste Satz von Rändern der Kathodenkatalysatorschicht befindet sich näher an dem dritten Satz von Rändern des Festpolymerelektrolyten, als der zweite Satz von Rändern der Anodenkatalysatorschicht.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen besser verständlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die folgende detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen besser verständlich, wobei ein gleicher Aufbau mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet ist, und wobei:
1 eine schematische Schnittdarstellung einer Festpolymerbrennstoffzelle gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform ist;
2 eine schematische Schnittdarstellung einer Festpolymerbrennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
3 eine schematische Darstellung eines PEM-Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
Für Fachleute ist offensichtlich, dass Elemente in den Figuren vereinfacht und deutlich dargestellt und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet worden sind. Beispielsweise können die Abmessungen von einigen der Elemente in den Figuren bezüglich anderer Elemente übertrieben sein, um ein besseres Verständnis der Ausführungsformen) der vorliegenden Erfindung zu unterstützen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen aller Typen sind im Verlaufe ihres Betriebes Leistungsverlusten oder einem Leistungszerfall ausgesetzt. Ein Leistungsverlust ist eine Verschlechterung der Spannung der Zelle bei einer festgelegten Stromdichte oder umgekehrt eine Verschlechterung der Stromdichte bei einer festgelegten Spannung. Derartige Leistungsverluste können das Ergebnis einer Vielzahl von Faktoren sein, wie beispielsweise Betriebsumgebung, Komponentenkonstruktion, Betriebs- und Wartungsabläufe wie auch der Arten der verwendeten Materialien. Eine Ionomerverschlechterung ist ein Faktor, der zu einem Leistungsverlust und sogar zu einem vorzeitigen Membranausfall beitragen kann. Eine Ionomerverschlechterung bei einer Membranelektrodenanordnung (MEA) nach dem Stand der Technik hat sich als stark lokalisiert gezeigt.
Die vorliegende Erfindung berücksichtigt eine Ionomerverschlechterung durch Steuerung einer Katalysatorschichtüberlappung in der MEA, um Erwartungen hinsichtlich der Brennstoffzellenlebensdauer erfüllen zu helfen, einem Faktor, der für den kommerziellen Erfolg kritisch ist. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Brennstoffzelle (FC) mit Protonenaustauschmembran (PEM), die allgemein mit Symbol 1 gezeigt ist. Die PEMFC 1 wird auch als Festpolymerbrennstoffzelle (SPFC), Festpolymerelektrolytbrennstoffzelle (SPEFC) oder Ionenaustauschmembranbrennstoffzelle (IEMFC) bezeichnet. Die PEMFC 1 wandelt Reaktanden, nämlich Brennstoff und Oxidationsmittel um, um elektrische Leistung und Reaktionsprodukte zu erzeugen.
Die PEMFC 1 umfasst zwei poröse elektrisch leitende Elektrodensubstrate, nämlich eine Anode 2 und eine Kathode 3. Zwischen der Anode 2 und der Kathode 3 ist ein Elektrolyt 4 einer Festpolymermembran angeordnet. Bei einer Ausführungsform umfasst die Festpolymermembran ein Ionomer aus perfluorierter Sulfonsäure (PFSA), wie beispielsweise Nafion^® (Du-Pont), Flemion (Asahi Glass Co.) oder Dow XUS (Dow Chemical). Die Substrate der Anode 2 und Kathode 3, die porös sind, dienen als Gasdiffusionsschichten für die Lieferung von Wasserstoff und Sauerstoff an den Elektrolyt 4 und zur Entfernung eines Wasserdampfnebenprodukts.
Ein Brennstoffstrom wird an den Brennstoffeinlass 5 geliefert, und ein Oxidationsmittelstrom wird an den Oxidationsmitteleinlass 6 geliefert. Die Reaktandenströme werden an den Brennstoff- und Oxidationsmittelauslässen 7 bzw. 8 ausgetragen. Es kann ein breiter Bereich von Reaktanden in der PEMFC 1 verwendet werden. Beispielsweise kann der Brennstoffstrom im Wesentlichen reines Wasserstoffgas, ein gasförmiger wasserstoffhaltiger Reformatstrom oder Methanol in einer Direktmethanolbrennstoffzelle sein. Das Oxidationsmittel kann beispielsweise im Wesentlichen reiner Sauerstoff oder ein verdünnter Sauerstoffstrom, wie beispielsweise Luft, sein.
Bei einer Ausführungsform sind die Anode 2, die Kathode 3 und der Elektrolyt 4 integriert, um einen einzelnen Verbundaufbau zu bilden, der als Membranelektrodenanordnung (MEA) 9 bezeichnet ist Sowohl die Anode als auch die Kathode 2 und 3 verwenden Katalysatoren, die auf Kohlenstoffpulvern getragen sind, die ihrerseits auf kohlenstoffhaltigen Substraten, wie beispielsweise Papier und Gewebe, angebracht sind. Wie gezeigt ist, besitzt sowohl die Anode 2 als auch die Kathode 3 eine dünne Schicht aus Katalysator 10 bzw. 11, die an der Schnittstelle mit dem Elektrolyt 4 angeordnet ist. Eine Nebenschicht (nicht gezeigt) wird optional dazu verwendet, bestimmte Eigenschaften der Elektrode abzuwandeln, wie beispielsweise den Schnittstellenwiderstand zwischen der Katalysatorschicht und dem Substrat.
Die Katalysatoren 10 und 11 können kolloidal verteiltes Metall, eine Legierung oder ein gestützter Metallkatalysator sein. Bei einer Ausführungsform ist der Katalysator 10 der Anode 2 Kohlenstoff-gestütztes Pt-Ru und der Katalysator 11 der Kathode 3 ist Kohlenstoff-gestütztes Pt. Die Katalysatoren 10 und 11 können auch ein Ionomer, wie beispielsweise ein bis zu 30 Gew.-% auf Perfluorsulfonsäure basierendes Ionomer mit der Handelsbezeichnung Nafion^® umfassen. Die Katalysatorschicht kann auch einen Binder, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen enthalten.
Die MEA 9 kann durch Auftragen einer Katalysatorschicht auf ein geeignetes Substrat für jede Elektrode 2 und 3 hergestellt werden. Gegebenenfalls kann zuerst eine Nebenschicht auf das Substrat aufgebracht und dann die Katalysatorschicht auf der Nebenschicht aufgebracht werden. Diese Schichten können in der Form von Aufschlämmungen oder Tinten aufgebracht werden, die Partikel und gelöste Feststoffe enthalten, die in einem geeigneten flüssigen Träger gemischt sind. Der flüssige Träger wird dann verdunstet, wobei eine Schicht aus Partikeln und dispergierten Feststoffen zurückbleibt. Die Elektroden 2 und 3 können dann an gegenüberliegende Seiten des Elektrolyten 4 über Aufbringung von Wärme und/oder Druck oder durch andere Verfahren angebunden werden. Alternativ dazu können zuerst Katalysatorschichten auf den Elektrolyt 4 aufgebracht werden, wobei optionale Nebenschichten und Substrate anschließend auf entweder der mit Katalysator versehenen Membran oder einem Elektrodensubstrat integriert werden.
Die MEA 9 wird dann zwischen einer Anodenströmungsfeldplatte 12 und einer Kathodenströmungsfeldplatte 13 angeordnet, um die Reaktanden über eine Fläche jedes Elektrodensubstrats zu lenken, die auf jeder Seite der MEA 9 angeordnet sind. Die Anodenströmungsfeldplatte 12 besitzt zumindest einen Brennstoffströmungskanal 14, der in ihrer Fläche ausgebildet ist, die zu der Anode 2 weist, und die Kathodenströmungsfeldplatte 13 besitzt zumindest einen Oxidationsmittelströmungskanal 15, der in ihrer Fläche ausgebildet ist, die zu der Kathode 3 weist. Nach einem Zusammenbau mit den zusammenwirkenden Flächen der Elektrodensubstrate 2 und 3 bilden die Kanäle 14 und 15 Reaktandenströmungsfelddurchgänge für den Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel. Die Strömungsfeldplatten 12 und 13 werden auch dazu verwendet, einen durch die MEA 9 erzeugten Strom zu sammeln und zu leiten. Demgemäß können die Strömungsfeldplatten 12 und 13 ein beliebiges geeignetes Material bzw. beliebige geeignete Materialien sein, die Wasserstoff und Luft durch die Zelle kanalisieren können, das Wassernebenprodukt von der Zelle entfernen können und Strom leiten, wie beispielsweise und ohne Beschränkung bipolare Platten aus Graphit, bipolare Platten aus Kohlenstoffverbundstoff, Metallsiebe, die durch Metallfolie verstärkt sind, und dergleichen.
Im Normalbetrieb der PEMFC 1 wird Brennstoff elektrochemisch an dem Anodenkatalysator 10 oxidiert, was typischerweise in der Erzeugung von Protonen, Elektronen und möglicherweise anderen Arten abhängig von dem verwendeten Brennstoff resultiert. Die Protonen werden von den Reaktionsstellen, an denen sie erzeugt werden, durch den Elektrolyt 4 geleitet, um elektrochemisch mit dem Oxidationsmittel an dem Kathodenkatalysator 11 zu reagieren. Die elektrochemischen Reaktionen finden wie folgt statt: an der Anode: H₂ → 2H⁺ + 2e^–; an der Kathode: ½O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O; gesamt: H₂ + ½O₂ → H₂O.
Die Ausgangsspannung jeder einzelnen PEMFC 1 unter Last liegt allgemein unter einem Volt. Daher werden, um eine größere Ausgangsspannung vorzusehen, zahlreiche Zellen gewöhnlich aneinander gestapelt und in Reihe verbunden, um einen Brennstoffzellenstapel mit höherer Spannung zu erzeugen. Endplattenanordnungen (nicht gezeigt) sind an jedem Ende des Stapels angeordnet, um diesen zusammenzuhalten und die Stapelkomponenten aneinander zu pressen. Eine Kompressionskraft ist erforderlich, um Abdichtungen zu bewirken und einen angemessenen elektrischen Kontakt zwischen verschiedenen Stapelkomponenten herzustellen. Die Brennstoffzellenstapel können dann ferner in Reihen- und/oder Parallelkombinationen verschaltet werden, um größere Gruppierungen zur Lieferung höherer Spannungen und/oder Ströme zu bilden.
Zu Zwecken der Vereinfachung sind auch andere Teile der Zelle oder eines Stapels aus Zellen, wie beispielsweise Kühlmittelschichten, Reaktandenströmungskanäle oder andere Merkmale der Anode und Kathode zum Führen von Brennstoff und Oxidationsmittel an die Katalysatorschichten, und um die richtige Bewegung von Wasser durch alle Zellen zu ermöglichen, ebenfalls nicht gezeigt, da ihr Aufbau und Betrieb in der Technik gut bekannt sind und sie keinen Teil der vorliegenden Erfindung darstellen. Zusätzlich würde das Brennstoffzellensystem Steuerungen, nicht gezeigt, zur Steuerung und Überwachung des Systems umfassen, wie beispielsweise zur Steuerung der Reaktandendurchsätze, die durch die Anforderungen der Last bestimmt sind. Ferner sind die folgend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung zur Verdeutlichung mit einer rechtwinkligen Form dargestellt, obwohl andere mehreckige Formen gleichermaßen vorteilhaft mit der Erfindung verwendet werden können.
Nun folgt eine Beschreibung, wie die Ausführungsform eine Ionomerverschlechterung berücksichtigt. Wie gezeigt ist, ist die Distanz zwischen dem Rand des Elektrolyten 4 und dem Rand der Kathodenkatalysatorschicht 11 durch ein Symbol a bezeichnet. Die Distanz zwischen dem Rand der Anodenkatalysatorschicht 10 und dem Rand des Elektrolyten 4 ist durch ein Symbol b bezeichnet. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Beziehung dieser Distanzen zwischen Rändern der Katalysatorschichten 10 und der Kathode 11 relativ zu dem Rand des Elektrolyten 4|a| < |b|. Die Steuerung der Aufbringung der Katalysatorschichten 10 und 11 während der Herstellung, um die oben beschriebenen Ränder beizubehalten oder Distanzen zu überlappen, beseitigt eine Ionomerverschlechterung dadurch, dass die Kathodenkatalysatorränder näher als die Anodenkatalysatorränder an den Rändern der Strömungsfeldplatten liegen. In der Praxis bedeutet dies, dass die Oberfläche der Kathodenkatalysatorschicht 11 größer als die Oberfläche der Anodenkatalysatorschicht 10 ist. Bei einer Ausführungsform beträgt die Oberfläche der Kathodenkatalysatorschicht 11: 803,25 cm² und die Oberfläche der Anodenkatalysatorschicht 10: 768,69 cm². Jedoch sind auch andere Katalysatorflächen akzeptabel, solange sich die Kathodenkatalysatorschicht 11 über die Anodenkatalysatorschicht 10 um den gesamten Umfang herum hinaus erstreckt. Beispielsweise und ohne Beschränkung sind andere Katalysatorflächen, die die gewünschte Verbesserung der Brennstoffzellenhaltbarkeit erreicht haben: 734,85 cm² an der Kathode und 701,73 cm² an der Anode; und 765 cm² an der Kathode und 731,46 cm² an der Anode. Demgemäß können bei einer Ausführungsform die Katalysatorflächen im Bereich von etwa 730 cm² bis etwa 805 cm² an der Kathode und etwa 700 cm² bis etwa 770 cm² an der Anode liegen, wobei die Oberfläche der Kathode etwa 32 cm² bis zu etwa 36 cm² größer als die Oberfläche der Anode ist.
Die Dicken der Katalysatorschichten und der MEA 9 können ebenfalls variieren. Bei einer Ausführungsform besitzen die Katalysatorschichten 10 und 11 Dicken im Bereich von etwa 8 bis etwa 10 Mikrometer, und die MEA 9 besitzt eine Dicke im Bereich von etwa 34 bis etwa 41 Mikrometer. Jedoch sind für Fachleute Ausdehnungen auf andere Dicken offensichtlich. Die Situation ist dieselbe für die Distanzen a und b von dem Rand der Katalysatorschichten zu dem Rand des Elektrolyten 4. Bei einer Ausführungsform lagen die Distanzen a und b an einer nicht über Stempel geschnittenen MEA 9 im Bereich von etwa 47 mm bis zu etwa 58 mm.
2 ist eine schematische Schnittdarstellung einer PEMFC gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ist allgemein mit Symbol 20 gezeigt. Bezugszeichen, die gleich den in 1 verwendeten sind, zeigen die gleichen Komponenten. Wie bei dieser alternativen Anordnung gezeigt ist, ist eine erste Dichtung 16 zwischen der Anode 2 und dem Elektrolyt 4 vorgesehen. Eine Fensterfläche 17 einer ersten Dichtung 16 dimensioniert die Oberfläche der Anodenkatalysatorschicht 10 in Kontakt mit dem Elektrolyt 4, während eine Trennung der Distanz b um den Umfang des Katalysators 10 von den Rändern der Strömungsfeldplatte 12 gebildet wird. In ähnlicherweise ist eine zweite Dichtung 18 vorgesehen, um die Oberfläche der Kathodenkatalysatorschicht 17 über eine zweite Fensterfläche 19 zu dimensionieren, und sieht eine Trennung der Distanz a vor, wobei die Beziehung a < b zwischen den Dichtungen 16 und 18 vorgesehen ist. Es sei angemerkt, dass die Oberfläche der Kathodenkatalysatorschicht 11 in Kontakt mit dem Elektrolyt 4 mit oder ohne die Dichtung 18 größer als die Oberfläche der Anodenkatalysatorschicht 10 in Kontakt mit dem Elektrolyt 4 ist. Jedoch sei angemerkt, dass die Dichtungen 16 und 18 die Ränder der Katalysatorschichten nicht perfekt dimensionieren müssen. Tatsächlich kann die Distanz zwischen den Rändern jedes Katalysators und seiner jeweiligen Dichtung um einige Millimeter variieren.
Die oben beschriebenen MEAs 9 gemäß der vorliegenden Erfindung können eine herkömmliche Kathode, die einen Kohlenstoff-gestützten Platinkatalysator aufweist, der auf ein poröses Kohlefaserpapiersubstrat (TGP-090 Güte von Toray) aufgebracht ist, und eine herkömmliche Festpolymermembran mit der Handelsbezeichnung Nafion^® verwenden. Die Anoden können auch ein herkömmlicher Kohlenstoff-gestützter Platin-Ruthenium-Katalysator (Pt/Ru-Legierung in einem Gewichtsverhältnis von 20/10, getragen auf Carbon Black) sein, der auf ein poröses Kohlefaserpapiersubstrat (TGP-090 Güte von Toray) aufgetragen ist. Die vorliegende Erfindung kann auch mit anderen besser Wasser absorbierenden Ionomeren verwendet werden, wie beispielsweise eine Trifluorstyrolbasierte Zusammensetzung, hydrophobes Polytetrafluorethylen (PTFE) und Kombinationen daraus.
Wie in 3 gezeigt ist, kann eine PEMFC gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft in einem Brennstoffzellensystem 40 verwendet werden, wie beispielsweise für ein Kraftfahrzeug, das durch ein Symbol 50 gezeigt ist. Bei dieser gezeigten Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem 40 ein Brennstoffversorgungssystem 60, eine Energieumwandlungskomponente 62, eine optionale temporäre Energiespeicherung 64, eine Umwandlungs- und Steuerkomponente 66 und ein Antriebssystem 68. Das Brennstoffversorgungssystem 60 kann ein einfacher Zylinder, der komprimierten Wasserstoff enthält, und ein Druckcontroller sein. Die Verwendung von flüssigem Wasserstoff oder Metallhydriden macht das System etwas weniger einfach, da der Tank mit Wärme versehen werden muss. Wenn anstatt von Wasserstoff ein Kohlenwasserstoff als ein Brennstoff verwendet wird, wird das Brennstoffversorgungssystem komplizierter. In diesem Fall ist ein Brennstoffprozessor (Brennstoffreformer und Gasreiniger) 70 in der Energieumwandlungskomponente 62 erforderlich, um Wasserstoff für die PEM-Brennstoffzellen 72 zu liefern.
Die elektrische Energie, die von den Brennstoffzellen 72 erzeugt ist, kann über eine DC-Verbindung 74 direkt an einen Motorwechselrichter 76 in der Umwandlungs- und Steuerkomponente 66 zugeführt werden. Die Ausgabe des Wechselrichters 76 treibt dann einen Motor 78 in dem Antriebssystem an. In diesen Fällen kann es attraktiver sein, ein Puffersystem 80, wie beispielsweise eine Batterie, einen Superkondensator oder eine Schwungscheibe zu verwenden. Das Puffersystem 80 liefert eine Spitzenleistung. Diese kann während des Starts oder bei Beschleunigung benötigt werden. Das Puffersystem 80 kann auch dazu verwendet werden, Energie bei einer regenerativen Bremsung zu absorbieren.

Claims

Vorrichtung mit einer Membranelektrodenanordnung, wobei die Membranelektrodenanordnung umfasst: eine Kathodenkatalysatorschicht mit einem ersten Satz von Rändern; eine Anodenkatalysatorschicht mit einem zweiten Satz von Rändern; einen Festpolymerelektrolyt, der zwischen den Kathoden- und Anodenkatalysatorschichten vorgesehen ist, wobei das Festpolymer ein Ionomer und einen dritten Satz von Rändern aufweist, wobei die Anodenkatalysatorschicht eine Oberfläche in Kontakt mit dem Ionomer besitzt, die kleiner als eine Oberfläche der Kathodenkatalysatorschicht in Kontakt mit dem Ionomer ist und wobei der erste Satz von Rändern der Kathodenkatalysatorschicht näher als der zweite Satz von Rändern der Anodenkatalysatorschicht an dem dritten Satz von Rändern des Elektrolyten angeordnet ist; eine erste Diffusionsschicht, an der die Kathodenkatalysatorschicht vorgesehen ist; eine zweite Diffusionsschicht, an der die Anodenkatalysatorschicht vorgesehen ist; eine erste Dichtung; und eine zweite Dichtung, die die Oberfläche der Anodenkatalysatorschicht in Kontakt mit dem Ionomer dimensioniert; dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Dichtung zwischen dem Elektrolyten und der zweiten Diffusionsschicht angeordnet ist, dass die erste Dichtung zwischen dem Elektrolyten und der ersten Diffusionsschicht angeordnet ist, und dass die Oberfläche der Kathodenkatalysatorschicht in Kontakt mit dem Ionomer durch die erste Dichtung dimensioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gesamtoberfläche der Anodenkatalysatorschicht kleiner als die Gesamtoberfläche der Kathodenkatalysatorschicht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche der Kathodenkatalysatorschicht im Bereich von 730 cm² bis 805 cm² liegt und die Oberfläche der Anodenkatalysatorschicht im Bereich von 700 cm² bis 770 cm² liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Differenz zwischen den Oberflächen der Kathoden- und Anodenkatalysatorschichten im Bereich von 32 cm² bis 36 cm² liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abstand des ersten Satzes von Rändern der Kathodenkatalysatorschicht und des zweiten Satzes von Rändern der Anodenkatalysatorschicht zu dem dritten Satz von Rändern des Elektrolyten im Bereich von 47 mm bis 58 mm liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorschichten Dicken im Bereich von 8 bis 10 Mikrometer besitzen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Membranelektrodenanordnung eine Dicke im Bereich von 34 bis 41 Mikrometer umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Membranelektrodenanordnung in eine Brennstoffzelle eingebaut ist, die umfasst: ein Paar elektrisch leitende Strömungsfeldplatten, die dazwischen schichtartig die erste Diffusionsschicht, die zweite Diffusionsschicht, die Katalysatorschichten und den Festpolymerelektrolyt anordnen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Oberfläche der Kathodenkatalysatorschicht im Bereich von 730 cm² bis cm² liegt und die Oberfläche der Anodenkatalysatorschicht im Bereich von 700 cm² bis 770 cm² liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei eine Differenz zwischen den Oberflächen der Kathoden- und Anodenkatalysatorschichten im Bereich von 32 cm² bis 36 cm² liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Brennstoffzelle in ein Brennstoffzellensystem eingebaut ist, das umfasst: ein Brennstoffspeichersystem, das einen Brennstoff, der Wasserstoff umfasst, liefert, ein Antriebssystem; eine Energieumwandlungskomponente, die von dem Brennstoffzellensystem erzeugte Elektrizität empfängt und reguliert, um das Antriebssystem zu steuern; und eine optionale temporäre Energiespeicherung zum Speichern der erzeugten Elektrizität.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Brennstoffzellensystem ferner einen Brennstoffprozessor zum Umwandeln des Brennstoffs in einen wasserstoffreichen Strom für die Brennstoffzelle umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Anodenkatalysatorschicht eine Oberfläche, die kleiner als eine Oberfläche der Kathodenkatalysatorschicht ist, in Kontakt mit dem Festpolymerelektrolyt aufweist, wobei die Oberfläche der Kathodenkatalysatorschicht im Bereich von 730 cm² bis 805 cm² liegt und die Oberfläche der Anodenkatalysatorschicht im Bereich von 700 cm² bis 770 cm² liegt, und wobei eine Differenz zwischen den Oberflächen der Kathoden- und Anodenkatalysatorschichten im Bereich von 32 cm² bis 36 cm² liegt.
Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung, umfassend, dass: ein Festpolymerelektrolyt mit einem Ionomer bereitgestellt wird, wobei der Festpolymerelektrolyt eine erste und zweite Fläche besitzt; eine Kathodenkatalysatorschicht an der ersten Fläche des Elektrolyten vorgesehen wird; eine Anodenkatalysatorschicht an der zweiten Fläche des Elektrolyten vorgesehen wird, so dass ein erster Satz von Rändern der Kathodenkatalysatorschicht näher als ein zweiter Satz von Rändern der Anodenkatalysatorschicht an einem dritten Satz von Rändern des Elektrolyten angeordnet ist; eine erste Diffusionsschicht vorgesehen wird, an der die Kathodenkatalysatorschicht vorgesehen ist; eine zweite Diffusionsschicht vorgesehen wird, an der die Anodenkatalysatorschicht vorgesehen ist; eine erste Dichtung und eine zweite Dichtung vorgesehen werden, wobei die zweite Dichtung die Oberfläche der Anodenkatalysatorschicht in Kontakt mit dem Ionomer dimensioniert; dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Dichtung zwischen dem Elektrolyten und der zweiten Diffusionsschicht angeordnet wird, dass die erste Dichtung zwischen dem Elektrolyten und der ersten Diffusionsschicht angeordnet wird, und dass die Oberfläche der Kathodenkatalysatorschicht in Kontakt mit dem Ionomer durch die erste Dichtung dimensioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Bereitstellen der Anodenkatalysatorschicht eine Oberfläche der Anodenkatalysatorschicht in Kontakt mit der zweiten Fläche des Elektrolyten zur Folge hat, die kleiner als eine Oberfläche der Kathodenkatalysatorschicht in Kontakt mit der ersten Fläche des Elektrolyten ist.