DE112004002094B4

DE112004002094B4 - Brennstoffzelle mit variabler Katalysatorbeladung

Info

Publication number: DE112004002094B4
Application number: DE112004002094T
Authority: DE
Inventors: Robert L. Fuss; Bhaskar Sompalli
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-11-03
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2013-03-07
Anticipated expiration: 2024-10-08
Also published as: CN1875514A; CN100477359C; JP2010251331A; US20050095494A1; CN101447577A; DE112004002094T5; US20110195329A1; CN101447577B; US7927761B2; US8227124B2; JP2007513466A; JP4928622B2; US20100248070A1; WO2005045951A2; WO2005045951A3; JP4764346B2; US20100330458A1; US7829239B2

Abstract

Brennstoffzelle mit:
einer Membranelektrodenanordnung (4, 6), die ein ionenleitendes Element (50) und eine Elektrode (94) umfasst, wobei die Elektrode (94) einen aktiven Bereich (96, 98) aufweist, der einen Katalysator umfasst;
einem Strömungsfeld (65), das eine Vielzahl von Strömungspfaden (86) aufweist, die zu der Elektrode (99) weisen;
wobei der Katalysator in dem aktiven Bereich (96, 98) entlang zumindest eines Strömungspfades (86) in einer ungleichförmigen Beladung verteilt ist, so dass eine elektrochemische Aktivität entlang des Strömungspfades (86) variiert;
dadurch gekennzeichnet, dass
der aktive Bereich (96, 98) der Elektrode (94) ein Umfangsgebiet (96) und ein Zentralgebiet (98) umfasst und die Katalysatorbeladung in dem Umfangsgebiet (96) geringer als in dem Zentralgebiet (99) ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise aus der US 4,808,493 A bekannt geworden ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen werden zunehmend als eine Energiequelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen erforscht. Eine derartige Brennstoffzelle ist die PEM-(d. h. Protonenaustauschmembran-)Brennstoffzelle, die eine so genannte ”Membranelektrodenanordnung” (MEA) mit einem dünnen Festpolymermembranelektrolyt umfasst, der ein Paar Elektroden (d. h. eine Anode und eine Kathode) auf gegenüberliegenden Seiten des Membranelektrolyten aufweist. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Fluidverteilungselemente (d. h. bipolaren Platten) angeordnet, die als Stromkollektoren für die Elektroden dienen und ein so genanntes ”Strömungsfeld” enthalten, das eine Gruppierung aus Stegen und Nuten ist, die in der Oberfläche der mit der MEA in Kontakt stehenden Platte gebildet sind. Die Stege leiten Strom von den Elektroden, während die Nuten zwischen den Stegen dazu dienen, die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle gleichmäßig über die Seiten der Elektroden zu verteilen. Gasdiffusionsmedien, die typischerweise poröses Graphit/Kohlenstoffpapier sind, sind zwischen jedem der elektrisch leitenden Fluidverteilungselemente und den Elektrodenseiten der MEA positioniert, um die MEA zu stützen, wo sie Nuten in dem Strömungsfeld gegenüberliegt, und um Strom davon zu benachbarten Stegen zu leiten.
Die Elektroden der MEA enthalten allgemein ein elektrochemisch aktives Gebiet oder einen elektrochemisch aktiven Bereich, der aus elektrochemisch aktivem Material ausgebildet ist. Diesbezüglich umfassen die elektrochemisch aktiven Bereiche jeder Elektrode katalysatorbeschichtete Partikel, die in einem Polymerbinder eingebettet sind. Dieser elektrochemisch aktive Bereich kann jedoch verschiedene Partikel enthalten, die beim Betrieb der Brennstoffzelle entweder zu aktiv sind oder nicht die gewünschte Aktivität aufweisen. Die Aktivität oder die mangelnde Aktivität kann in einem Ausfall der Elektroden aufgrund der Entwicklung von Nadellöchern, einem Reißen bzw. Platzen der Katalysatorschicht, einer Delaminierung oder einer allgemeinen Degradation der Elektrode resultieren.
Infolgedessen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine MEA vorzusehen, die Elektroden umfasst, bei denen die elektrochemische Aktivität gesteuert werden kann, was hilft, die obigen Nachteile zu verhindern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gerichtet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine schematische Explosionsansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels ist (es sind nur zwei Zellen gezeigt);
2 ein Schnitt einer Membranelektrodenanordnung ist;
3 eine Explosionsansicht eines beispielhaften elektrisch leitenden Fluidverteilungselements, einer bipolaren Platte mit Kühlmittel, ist, das mit PEM-Brennstoffzellenstapeln verwendet werden kann;
4 eine Schnittansicht in der Richtung von 4-4 von 3 ist;
5 eine Explosionsansicht einer MEA ist, die eine Elektrode mit einer variablen Katalysatorbeladung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet;
6 ein teilweiser Schnitt einer bipolaren Platte ist, die ein dünnes Substrat mit Strömungsfeldern aus geschäumtem Metall, die an ihren beiden Seiten angebracht sind, aufweist;
7 ein teilweiser Schnitt einer bipolaren Platte ist, die aus einem Verbund aus in einer Bindermatrix verteilten elektrisch leitenden Partikeln besteht, der mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet ist;
8 ein teilweiser Schnitt einer bipolaren Platte mit hindurch verlaufenden Kühlmittelkanälen ist;
9 eine vergrößerte Explosionsansicht einer Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
10 ein Schaubild ist, das die Beziehung der Stromdichte bezüglich der Distanz weg von einem Einlassverteiler darstellt;
11A und 11B Stromverteilungsintensitätsdiagramme sind, die eine Vergleichselektrode und eine Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen; und
12 ein Beispiel einer Direktschreibtechnik ist, die dazu verwendet wird, eine Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt einen zwei Zellen umfassenden bipolaren Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4 und 6, die voneinander durch ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement 8, nachfolgend eine bipolare Platte 8, getrennt sind. Die MEAs 4 und 6 und die bipolare Platte 8 sind zwischen aus rostfreiem Stahl bestehenden Klemmplatten oder Endplatten 10 und 12 und Endkontaktelementen 14 und 16 aneinander gestapelt. Die Endkontaktelemente 14 und 16 wie auch beide Arbeitsseiten der bipolaren Platte 8 enthalten eine Vielzahl von Nuten oder Kanälen 18, 20, 22 bzw. 24 zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen (d. h. H₂ und O₂) an die MEAs 4 und 6. Nichtleitende Dichtungselemente 26, 28, 30 und 32 sehen Dichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gasdurchlässige leitende Materialien sind typischerweise Kohlenstoff/Graphitdiffusionspapiere 34, 36, 38 und 40, die an die Elektrodenseiten der MEAs 4 und 6 gepresst werden. Die Endkontaktelemente 14 und 16 werden an die Kohlenstoff/Graphitpapiere 34 bzw. 40 gepresst, während die bipolare Platte 8 an das Kohlenstoff/Graphitpapier 36 auf der Anodenseite der MEA 4 und an das Kohlenstoff/Graphitpapier 38 auf der Kathodenseite der MEA 6 gepresst wird. Sauerstoff wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von einem Speichertank 46 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 42 geliefert, während Wasserstoff an die Anodenseite der Brennstoffzelle von einem Speichertank 48 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 44 geliefert wird. Alternativ dazu kann Umgebungsluft an die Kathodenseite als eine Sauerstoffquelle und Wasserstoff an die Anode von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen geliefert werden. Es ist auch eine Austragsverrohrung (nicht gezeigt) für sowohl die H₂- als auch O₂-Seiten der MEAs 4 und 6 vorgesehen. Eine zusätzliche Verrohrung 50, 52 und 54 ist zur Lieferung von flüssigem Kühlmittel an die bipolare Platte 8 und die Endplatten 14 und 16 vorgesehen. Eine geeignete Verrohrung zum Austrag von Kühlmittel von der bipolaren Platte 8 und den Endplatten 14 und 16 ist ebenfalls vorgesehen, jedoch nicht gezeigt.
Jede Membranelektrodenanordnung (MEA) 4 und 6 umfasst ein ionenleitendes Element, das schichtartig durch eine Anodenelektrode 52 und eine Kathodenelektrode 54 angeordnet ist (2). Das ionenleitende Element 50 ist bevorzugt eine Festpolymerelektrolytmembran. 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 und an anderen Stellen in der Patent- und Nicht-Patent-Literatur beschrieben. Es sei jedoch angemerkt, dass die Zusammensetzung des ionenleitenden Elements 50 ein beliebiges der protonenleitenden Polymere, die herkömmlich in der Technik bekannt sind, umfassen kann. Beispielsweise werden perfluorierte Sulfonsäurepolymere, wie beispielsweise NAFION^® verwendet. Ferner kann das Polymer der ausschließliche Bestandteil der Membran sein oder kann in den Poren eines anderen Materials getragen sein. Die Anodenelektrode 52 und die Kathodenelektrode 54 umfassen bevorzugt katalysatorbeschichtete Kohlenstoff- oder Graphitpartikel, die in einem Polymerbinder eingebettet sind, der ähnlich der Polymermembran ein protonenleitendes Material ist, wie NAFION^®.
3 ist eine Explosionsansicht einer beispielhaften bipolaren Platte 56, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die bipolare Platte 56 umfasst eine erste Außenmetalltafel 58, eine zweite Außenmetalltafel 60 und eine Innenabstandhaltermetalltafel 62 zwischen der ersten Metalltafel 58 und der zweiten Metalltafel 60. Die Außenmetalltafeln 58 und 60 sind so dünn wie möglich ausgebildet und können durch Stanzen oder einen anderen herkömmlichen Prozess zum Formen von Metalltafeln gebildet werden. Die Außentafel 58 besitzt eine erste Arbeitsseite 59 an ihrer Außenseite, die einer Membranelektrodenanordnung (nicht gezeigt) gegenüberliegt und so ausgebildet ist, um ein Strömungsfeld 57 vorzusehen. Das Strömungsfeld 57 ist durch eine Vielzahl von Stegen 64 definiert, die dazwischen eine Vielzahl von Nuten 66 definieren, die das ”Strömungsfeld” bilden, durch das die Reaktandengase (d. h. H₂ und O₂) der Brennstoffzelle in einem mäanderförmigen oder serpentinenartigen Pfad von einer Seite 68 der bipolaren Platte zu ihrer anderen Seite 70 strömen. Wenn die Brennstoffzelle vollständig zusammengebaut ist, werden die Stege 64 an das poröse Material, die Kohlenstoff/Graphit-Papiere 36 oder 38, gepresst, die ihrerseits an die MEAs 4 und 6 gepresst werden. Der Einfachheit halber zeigt 3 nur zwei Gruppierungen aus Stegen 64 und Nuten 66. In der Realität bedecken die Stege 64 und Nuten 66 die gesamten Außenseiten der Metalltafeln 58 und 60, die mit den Kohlenstoff/Graphitpapieren 36 und 38 in Eingriff stehen. Das Reaktandengas wird an Nuten 66 von Einlassverteilern 72 geliefert, die entlang einer Seite 68 der Brennstoffzelle liegen, und verlässt die Nuten 66 über eine andere Gruppierung von Verteilern 74, die benachbart der gegenüberliegenden Seiten 70 der Brennstoffzelle liegen. Wie am besten in 4 zu sehen ist, umfasst die Unterseite der Tafel 58 eine Vielzahl von Rippen 76, die dazwischen eine Vielzahl von Kanälen 78 definieren, durch die Kühlmittel beim Betrieb der Brennstoffzelle strömt. Unter jedem Steg 84 liegt ein Kühlmittelkanal 78, während unter jeder Rippe 76 eine Reaktandengasnut 86 liegt. Alternativ dazu kann die Tafel 58 flach sein und das Strömungsfeld in einer separaten Materialtafel ausgebildet sein.
Die Metalltafel 60 ist ähnlich der Tafel 58. Die Innenseite 61 der Tafel 60 ist in 3 gezeigt. Diesbezüglich ist eine Vielzahl von Rippen 80 gezeigt, die dazwischen eine Vielzahl von Kanälen 82 definieren, durch die ein Kühlmittel von einer Seite 69 der bipolaren Platte zu der anderen 71 strömt. Ähnlich der Tafel 58, und wie am besten in 4 gezeigt ist, besitzt die Außenseite der Tafel 60 eine Arbeitsseite 63. Die Tafel 60 ist so ausgebildet, dass ein Strömungsfeld 65 vorgesehen wird. Das Strömungsfeld 65 wird durch eine Vielzahl von Stegen 84 daran definiert, die eine Vielzahl von Nuten 86 definieren, die das Strömungsfeld 65 bilden, durch das die Reaktandengase gelangen. Eine Innenmetallabstandhaltertafel 62 ist zwischen den Außentafeln 58 und 60 positioniert und umfasst eine Vielzahl von Öffnungen 88 darin, um zu ermöglichen, dass Kühlmittel zwischen den Kanälen 82 in der Tafel 60 und den Kanälen 78 in der Tafel 58 strömen kann, wodurch laminare Grenzschichten aufgebrochen und eine Turbulenz bewirkt wird, die den Wärmeaustausch mit den Innenseiten 90 und 92 der Außentafeln 58 bzw. 60 steigert. Somit bilden die Kanäle 78 und 82 jeweilige Kühlmittelströmungsfelder an dem Innenvolumen, das durch die Tafeln 58 und 60 definiert ist.
Um eine Stromdichte zu optimieren und zu steuern, die durch eine Brennstoffzelle, die die oben beschriebene bipolare Platte verwendet, erzeugt wird, kann eine beispielhafte Elektrode, die in 5 gezeigt ist, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die Elektrode 94, die entweder als eine Anodenelektrode oder als eine Kathodenelektrode verwendet werden kann, umfasst ein sich um den Umfang erstreckendes elektrochemisch aktives Gebiet 96 und ein zentrales elektrochemisch aktives Gebiet 98. Die Zusammensetzung der elektrochemisch aktiven Gebiete kann ein beliebiges, herkömmlich in der Technik verwendetes, elektrochemisch aktives Material sein. Diesbezüglich umfassen, wie oben beschrieben ist, die elektrochemisch aktiven Gebiete bevorzugt mit Katalysator beschichtete Kohlenstoff- oder Graphitpartikel, die in einem Polymerbinder eingebettet sind, der ein protonenleitendes Material sein kann, wie beispielsweise NAFION^®. Die elektrochemisch aktiven Gebiete umfassen bevorzugt Platin als den Katalysator, obwohl auch andere Katalysatoren, wie beispielsweise Palladium, Palladium-Ruthenium und andere Pt/Übergangsmetalllegierungen verwendet werden können.
Bevorzugt umfasst das mit Katalysator versehene Umfangsgebiet 96 eine Katalysatorbeladung, die kleiner als eine Katalysatorbeladung in dem zentralen, mit Katalysator versehenen Gebiet 98 ist. Beispielsweise kann das Umfangsgebiet 96 eine Katalysatorbeladung von 0,2 mg/cm² enthalten, und das Zentralgebiet 98 kann eine Beladung von 0,6 mg/cm² enthalten. Ferner ist es bevorzugt, dass sowohl das Umfangsgebiet 96 als auch das Zentralgebiet 98 die gleiche Oberfläche besitzen, obwohl die Ausführungsform nicht darauf beschränkt ist. Beispielsweise umfassen sowohl das Umfangs- als auch das Zentralgebiet eine gesamte aktive Fläche von 250 cm². Bei der Verwendung einer derartigen Ausgestaltung ist die elektrochemische Aktivität in dem Umfangsgebiet 96 kleiner als die elektrochemische Aktivität in dem Zentralgebiet 98, jedoch beträgt die Gesamtkatalysatorbeladung 0,4 mg/cm². Somit unterstützt eine Steuerung der elektrochemischen Aktivität in den Umfangsgebieten 96, dass die Entwicklung von Nadellöchern, ein Reißen bzw. Platzen der Katalysatorschicht, eine Delaminierung wie auch eine allgemeine Degradation der Elektrode 94 verhindert werden.
Genauer wird, wenn die Reaktandengase an Nuten 66 von den Einlassverteilern 72 der bipolaren Platte geliefert werden, der Bereich des mit Katalysator versehenen Umfangsgebiets 96 einer erhöhten Menge an Reaktandengasen ausgesetzt. Dies bedeutet, das Umfangsgebiet 96 befindet sich benachbart des Einlasses 72 und daher benachbart zu einem Bereich mit höherem Druck, der einen kontinuierlicheren Strom der Reaktandengase an den Katalysator der Elektrode 94 in dem mit Katalysator versehenen Umfangsgebiet 96 liefert. Somit ist eine höhere Reaktionsrate in diesem Bereich vorhanden. Ferner werden Wärme und Wasser aus der Gesamtreaktion der Brennstoffzelle erzeugt. Da eine höhere Reaktionsrate in diesem Bereich auftritt, ist die Erzeugung von Wärme und Wasser in diesem Gebiet ausgeprägter, was ein Fluten wie auch die oben aufgezählten unerwünschten Nachteile erzeugen kann. Durch Verringerung der Katalysatorbeladung in dem Umfangsgebiet 96 der Elektrode 94, die sich benachbart der Einlassverteiler 72 der bipolaren Platte 56 befindet, kann die Reaktionsrate in diesem Gebiet auf ein gewünschtes Niveau gesteuert werden.
Im Gegensatz zu dem Umfangsgebiet 96 besitzt das zentrale mit Katalysator versehene Gebiet 98 eine erhöhte Katalysatorbeladung. Eine derartige Ausgestaltung ist erwünscht, da der Katalysator, der in diesem Bereich der Elektrode 94 angeordnet ist, einer kleineren Menge an Reaktandengasen aufgrund einer weiteren Entfernung von dem Einlass 72 ausgesetzt ist. Somit befindet sich das Zentralgebiet 98 in einem Bereich mit niedrigerem Druck. Somit wird eine niedrigere Stromdichte erreicht. Insbesondere wenn die Reaktandengase, die durch die Einlassverteiler 72 geliefert werden, durch die Nuten 66 der bipolaren Platte 56 gelangen, werden die Gase einem kurvigen bzw. gewundenen Strömungspfad unterworfen, der den Druck und die Kontinuität der Gase, die die zentralen elektrochemisch aktiven Bereiche der Elektrode 94 erreichen, reduziert. Somit ist die elektrochemische Aktivität in diesen Bereichen reduziert. Durch Erhöhung der Katalysatorbeladung in diesem Bereich kann die elektrochemische Reaktionsrate dieser Bereiche erhöht und gesteuert werden, um eine Stromdichte zu erzeugen, die gleichförmig ist und für die Gesamtlebensdauer der Brennstoffzelle förderlicher ist.
Zusätzlich zu der Elektrode 94, die in 5 gezeigt ist, kann eine Anzahl von Elektrodenausgestaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Insbesondere kann jede Elektrodenausgestaltung, d. h. die Ausgestaltung der elektrochemisch aktiven Gebiete entlang der Oberfläche der Elektroden, gemäß einer Anzahl verschiedener Faktoren hergestellt werden, die das Material, aus dem die bipolare Platte hergestellt ist, ob die bipolare Platte intern durch ein Kühlmittel gekühlt ist, und die Strömungsfeldgeometrie der bipolaren Platte umfassen.
Beispiele anderer bipolarer Platten, die verwendet werden können, sind allgemein in den 6–8 gezeigt. In 6 ist das Element 100 mit einer dünnen Substrattafel 102 aufgebaut, die Schaumströmungsfelder 106 aufweist. Diese bipolare Platte weist eine dünne Barrieretafel 102 auf, die bevorzugt aus einer massiven Titanmetalltafel hergestellt ist, wobei der Schaum 106 (etwa ein halber bis etwa 3 Millimeter dick) durch Schweißen oder Hartverlöten an beide Seiten derselben befestigt ist. Die Tafel 102 bildet die Gasbarriere, und der Schaum 106 bildet die Strömungsfelder. Wie zu sehen ist, besitzt der Schaum 106 gegenüberliegende Hauptflächen 110 und 111. Der Schaum 106 besitzt eine Hauptfläche 110, die zu der Metalltafel 102 weist, und eine andere Hauptfläche 111, die 110 gegenüberliegt. Typischerweise weist die Hauptfläche 111 zu der MEA. Diese Schäume können als Metallschäume oder kohlenstoffbasierte Schäume hergestellt werden. Metalle, die als ein massiver Schaum hergestellt werden können, umfassen Kupfer, Aluminium, Nickel, Titan, Silber und rostfreien Stahl, wobei die bevorzugten Metalle Nickel und rostfreier Stahl sind. Es ist eine Vielzahl geschäumter Metalle von AstroMet mit Sitz in Cincinnati, Ohio verfügbar. Verfahren zum Herstellen dieser Metallschäume sind in dem U.S. Patent US 4,973,358 A beschrieben. Kohlenstoffbasierte Schäume sind von Ultra Met erhältlich.
Es sei angemerkt, dass der Schaum 106, der hier beschrieben ist, ein offenzelliger Schaum ist. Dies zeigt, dass kontinuierliche Strömungspfade oder Kanäle 108 durch den Schaum 106 vorhanden sind, die durch aneinander angrenzende Öffnungen oder Poren erzeugt werden, die zueinander durch die Dicke des Schaums 106 offen sind. Obwohl der Schaum 106 ein offenzelliger Schaum mit kontinuierlichen Strömungspfaden 108 ist, kann die Strömung der gasförmigen Reaktanden durch den Schaum 106 zufällig und kurvig sein, wodurch die Elektrode 94 unterschiedlichen Mengen an gasförmigen Reaktanden über die Oberfläche der Elektrode 94 aufgrund von Druckvariationen ausgesetzt ist. Ungeachtet der zufälligen Beschaffenheit der Strömungspfade 108, die in dem Schaum 106 enthalten sind, ist die Strömung gasförmiger Reaktanden entlang den Rändern der Elektrode 94 jedoch aufgrund dessen ausgeprägter, da die Einlassverteiler 72 dort angeordnet sind. Somit sieht die Elektrode 94 der ersten Ausführungsform, die in 5 gezeigt ist, immer noch die Fähigkeit zur Steuerung einer Stromverteilung über den Verlauf der Elektrodenoberfläche vor.
Eine noch weitere bipolare Platte ist in 7 gezeigt, die eine bipolare Platte 112 darstellt, die ein Polymermaterial 113 mit einem leitenden fasrigen Füllstoff 114 umfasst, der eine Orientierung durch die Ebene hindurch aufweist, was einen Leitfähigkeitspfad durch das Element vorsieht, der auch verwendet werden kann. Das Polymermaterial 113 ist bevorzugt ein geeignetes duroplastisches Polymer und bevorzugter aus der Gruppe von Materialien gewählt, die Silikon, Polyisobutylen, Epoxydharz, Vinylester und Phenolharz umfasst. Alternativ dazu ist das Polymermaterial 113 ein geeigneter Thermoplast und bevorzugter aus der Gruppe von Materialien gewählt, die Polypropylen, Ethylentetrafluorethylen (ETFE), Nylon und gummimodifiziertes Polypropylen umfasst. Während die vorhergehenden duroplastischen und thermoplastischen Polymere, die einen leitenden fasrigen Füllstoff 114 enthalten, derzeit bevorzugt sind, ist es für Fachleute offensichtlich, dass andere ähnliche Materialien ebenfalls geeignet mit der besonderen Konstruktionsspezifikation einer Anwendung versehen werden können. Beispielsweise kann ein beliebiges leitendes Polymer wie beispielsweise Polyacetylen, das keinen leitenden fasrigen Füllstoff enthält, verwendet werden und liegt dennoch nicht außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung. Ferner ist, obwohl eine leitende Beschichtung 116, wie beispielsweise Gold, oder eine andere elektrisch leitende Beschichtung in 7 gezeigt ist, die die elektrische Leitfähigkeit weiter fördert, die Beschichtung 116 gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nötig.
Obwohl es in 7 nicht gezeigt ist, ist die Verbundbipolplatte 112 der bipolaren Platte 56, die in 3 gezeigt ist, darin ähnlich, dass die Nuten 118 des Strömungsfeldes in einem serpentinenartigen Muster entlang der Oberfläche der Verbundplatte 112 mäanderförmig vor und zurück verlaufen. Somit sind die Einlassverteiler (nicht gezeigt) auch entlang der Ränder der bipolaren Platte 112 angeordnet, was den Gebrauch der in 5 gezeigten Elektrode bestimmt. Da die bipolare Platte 112 aus einem Verbundmaterial besteht, wird Wärme jedoch verschieden durch die Brennstoffzelle verteilt. Somit kann die Katalysatorbeladung von sowohl dem Umfangsgebiet 96 als auch dem Zentralgebiet 98 der Elektrode 94 demgemäß variiert werden. Dies bedeutet, dass, obwohl eine Stromdichte über die Oberfläche der Elektrode aufgrund der Elektrodenausgestaltung der ersten Ausführungsform gesteuert werden kann, die Gesamtreaktion der Zelle immer noch Wärme als ein Nebenprodukt erzeugt. Da ein Verbundmaterial einen Wärmekoeffizienten aufweist, der sich beispielsweise von dem einer bipolaren Platte aus Stahl oder Aluminium unterscheidet, kann die Katalysatorbeladung daher verringert werden, da eine Verbundplatte weniger Wärme als eine herkömmliche Metallplatte absorbiert. Somit kann eine erhöhte Stromdichte ohne Einschränkung der Lebensdauer der Elektrode erreicht werden.
Wie in 8 gezeigt ist, ist eine noch andere bipolare Platte, die verwendet werden kann, eine polymere bipolare Platte 120, die eine Vielzahl elektrisch leitender Fasern 122 enthält, die in einem polymeren Körperabschnitt 124 angeordnet sind, wobei sich jede Faser 122 kontinuierlich von der ersten Fläche 126 des Polymerkörperabschnitts 124 zu der zweiten Fläche 128 des Polymerkörperabschnitts 124 in einer Ausgestaltung durch die Ebene hindurch erstreckt. Bevorzugt ist der Hauptkörperabschnitt 124 aus einem gehärteten thermisch leitenden Polymer hergestellt, wie beispielsweise mit Kohlenstoff versetztes Epoxydharz. Jedoch kann der Hauptkörperabschnitt 124 aus anderen geeigneten Materialien, die derartige gewünschte Eigenschaften besitzen, ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Hauptkörperabschnitt aus Silikon, Polyisobutylen, Polyvinylester, Polyester, Phenolharz, Polypropylen, ETFE, Nylon oder gummimodifiziertem Polypropylen ausgebildet sein. Die Wärmeleitfähigkeit kann durch Versetzen des Polymermaterials mit Kohlenstoff, Graphit oder anderen leitenden Partikeln gesteigert werden.
Rohrförmige Elemente 130, die in dem Hauptkörperabschnitt 124 der bipolaren Platte 120 angeordnet sind, dienen dazu, ein sekundäres Strömungsfeld hindurch zu definieren, um ein Kühlfluid durch die Separatorplatte zur Steuerung ihrer Wärmeenergie zu führen. Die rohrförmigen Elemente 130 sind derart ausgebildet, dass ein Kühlfluid durch die Verrohrung 70 geführt wird, um Wärmeenergie von dem Brennstoffzellenstapel zu entfernen bzw. Wärmeenergie an den Brennstoffzellenstapel hinzuzufügen. Die Kühlmittelsammelleitungen (nicht gezeigt), die das rohrförmige Element 130 fluidmäßig mit der Verrohrung 70 koppeln, sollten eine elektrische Isolierung dazwischen vorsehen, um einen Nebenschlussstrom zwischen den Fasern 122 und den rohrförmigen Elementen 130 zu beseitigen.
Die rohrförmigen Elemente 130 sind aus mit Kohlenstoff versetztem Polymer ausgebildet, sollten jedoch nicht darauf beschränkt sein. Insbesondere wird erwogen, dass die rohrförmigen Elemente 130 aus einem einer Vielzahl von Materialien hergestellt sein können, die thermisch leitend und nicht anfällig gegenüber Korrosion aus einem Kontakt mit gasförmigen Reaktanden oder Kühlmitteln sind, die üblicherweise in einem Brennstoffzellenstapel verwendet werden. Einige andere geeignete Materialien umfassen Titan, Kohlenstoff oder rostfreien Stahl.
Ähnlich den vorher erwähnten bipolaren Platten verlaufen die Nuten 132 der bipolaren Platte 120 in 8 bevorzugt mäanderförmig in einem serpentinenartigen Muster vor und zurück, wobei die Einlassverteiler (nicht gezeigt) entlang der Ränder der bipolaren Platte 120 angeordnet sind. In der bipolaren Platte 120 von 8 ist jedoch ein Kühlmittel vorgesehen, um die Platte 120 durch die rohrförmigen Elemente 130 zu kühlen oder Wärmeenergie an die Platte 120 durch die rohrförmigen Elemente 130 zu liefern. Somit sind Bereiche der Elektrode verschiedenen Temperaturbereichen gemäß der Strömung des Kühlmittels ausgesetzt. Insbesondere kann sich, wenn das Kühlmittel durch die rohrförmigen Elemente 130 strömt, eine Temperatur der entsprechenden Nut aufgrund von Energieverlust oder -zugewinn ändern. Der Bereich der Elektrode benachbart zu dieser Nut ist daher auch einer Temperaturänderung ausgesetzt, die die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle beeinflusst. Demgemäß kann die Katalysatorbeladung gemäß dieser Bereiche differierender Temperatur variiert werden, um diese Änderungen anzupassen. Schließlich ist die leitende Beschichtung 134, die aus Gold oder einer anderen elektrisch leitenden Beschichtung besteht, die die elektrische Leitfähigkeit weiter fördert, gemäß der vorliegenden Erfindung nicht notwendig, obwohl sie in 8 gezeigt ist.
Es sei angemerkt, dass die oben beschriebenen bipolaren Platten nur beispielhafter Natur sind und nicht dazu bestimmt sind, die vorliegende Erfindung zu beschränken. Insbesondere kann die vorliegende Erfindung mit einer beliebigen bipolaren Platte verwendet werden, die in der Technik bekannt ist oder in Betracht gezogen wird, indem Bereiche mit erhöhter oder verringerter Aktivität durch Prüfen jeder bipolaren Platte vor der Herstellung der Brennstoffzelle bestimmt werden. Insbesondere kann die Ausgestaltung der elektrochemisch aktiven Bereiche der Elektroden in Verbindung mit der Auswahl der bipolaren Platte bestimmt werden. Dies ist so, da bei jeder der oben beschriebenen beispielhaften bipolaren Platten eine Anzahl von Variablen die ideale Ausgestaltung der elektrochemisch aktiven Gebiete entlang der Oberfläche der Elektrode beeinflusst. Beispielsweise ist die bipolare Platte 56 in 3 bevorzugt aus einem Metall hergestellt, wie rostfreiem Stahl, Aluminium, Titan oder dergleichen. Im Gegensatz dazu sind die bipolaren Platten der 7 und 8 bevorzugt aus einem Polymermaterial hergestellt. Wie oben beschrieben ist, dissipiert jede dieser bipolaren Platten Wärme und leitet den Strom, der im Verlauf der Reaktion der Brennstoffzelle erzeugt wird, auf verschiedene Art und Weise. Demgemäß wird über die Oberfläche der Elektrode und gemäß der vorliegenden Erfindung die Katalysatorbeladung eingestellt, um die Reaktionsrate und die Stromerzeugung der Brennstoffzelle zu steuern. Ferner wird abhängig von der Ausgestaltung des Strömungsfeldes die Katalysatorbeladung weiter eingestellt.
Nochmals unter Bezugnahme auf 3 kann gesehen werden, dass die Nuten 66 und Kanäle 80 über die Oberfläche der Platte 56 mäanderförmig vor und zurück verlaufen. In einem derartigen serpentinenartigen Pfad sind die gasförmigen Reaktanden durch jede der Nuten 66 einer kurvigen Strömung ausgesetzt, und daher sind die elektrochemisch aktiven Gebiete der Elektrode verschiedenen Mengen an Reaktand an verschiedenen Bereichen der Elektrode ausgesetzt. Um die Stromdichte in Bereichen der Elektrode zu erhöhen, die keiner ausreichenden Menge an Reaktand ausgesetzt sind, oder um die Stromdichte in Bereichen zu verringern, die einem Überschuss von gasförmigem Reaktand ausgesetzt sind, was entweder zu viel Wärme oder zu viel Wasser erzeugt, kann die Katalysatorbeladung dadurch eingestellt werden, dass die Beladung abhängig von der Stromdichte an jedem Bereich der Elektrode entweder erhöht oder verringert wird. Somit kann durch die Verwendung der bipolaren Platte, die in 3 beispielhaft gezeigt ist, eine Elektrode, die ein streifenförmiges Muster aus elektrochemisch aktiven Gebieten verwendet, angewendet werden, wobei abwechselnde elektrochemisch aktive Gebiete variable Katalysatorbeladungen umfassen. Eine derartige Elektrode 135 ist in 9 gezeigt. Wie in 9 gezeigt ist, befinden sich die elektrochemisch aktiven Gebiete 136, bei denen die Katalysatorbeladung erhöht oder verringert ist, in Ausrichtung mit einer Nut 140 der bipolaren Platten 139 oder entsprechen dieser. Somit wird kein teurer Katalysator in den streifenförmigen Bereichen 138 vergeudet, die in Kontakt mit einem Steg 142 der bipolaren Platte 139 stehen und der keinen merklichen Anteil an der Gesamtreaktion der Brennstoffzelle beiträgt. Überdies sind bei der Verwendung der bipolaren Platte 56 in 2 wiederum als ein Beispiel die Nuten 66 Windungen in dem serpentinenartigen Pfad ausgesetzt. In diesen Windungen kann die gasförmige Strömung beschränkt werden, und daher kann die Katalysatorbeladung in diesen Bereichen erhöht werden. Ferner können verschiedene Nuten 66 verschiedenen Mengen an gasförmigen Reaktanden abhängig von der Entfernung von dem Einlassverteiler 72 aufgrund einer Verringerung des Drucks bei größeren Distanzen von dem Verteiler 72 ausgesetzt werden. Somit bestimmen diese Bereiche eine erhöhte Menge an Katalysator, um die Stromdichte auf ein Sollniveau zu erhöhen. Dieses Phänomen ist in 10 graphisch dargestellt, in der gesehen werden kann, dass, wenn die Distanz (Nutanzahl) von dem Einlassverteiler zunimmt, die Stromdichte abnimmt.
Es sei angemerkt, dass, obwohl die obige Ausführungsform mit streifenförmigen elektrochemisch aktiven Gebieten 136 beschrieben worden ist, die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt sein soll. Insbesondere könnten die elektrochemisch aktiven Bereiche 136 punktförmig sein oder eine andere Form besitzen, die eine lokale Steuerung der Stromdichte über die Oberfläche der Elektrode 135 vorsieht.
Ferner ist jede der obigen Ausführungsformen in Bezug auf ein serpentinenartiges Strömungsfeld beschrieben worden, wobei jeder der Strömungspfade über die Oberfläche der bipolaren Platte mäanderförmig vor und zurück verläuft. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf nur ein serpentinenartiges Strömungsfeld beschränkt. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung, dass die Katalysatorbeladung gemäß eines beliebigen in der Technik bekannten Strömungsfeldes variiert werden kann. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einem Strömungsfeld verwendet werden, bei dem die Strömungspfade einen Durchgang umfassen, der lediglich von einem Einlass, der an einem Rand der bipolaren Platte angeordnet ist, zu einem Auslass durchgeht, der an einem anderen Rand der bipolaren Platte angeordnet ist. Auf diese Art und Weise kann das Strömungsfeld vereinfacht werden. Andere Beispiele von Strömungsfeldausgestaltungen sind in den U.S. Patenten US 6,503,653 B2 ; US 6,358,642 B1 ; US 6,309,773 B1 und US 6,099,984 A beschrieben.
Um die lokalen Bereiche der Elektrode zu bestimmen, die eine variable Katalysatorbeladung auf Grundlage des Bipolplattenmaterials und der Strömungsfeldgeometrie erfordern, sind die Anoden- und Kathodenströmungsfeldplatten der bipolaren Platte voneinander mit einer Gruppierung aus Widerständen zwischen derartigen Anoden- und Kathodenströmungsfeldplatten elektrisch getrennt. Das Verfahren verlässt sich auf die Beziehung zwischen dem Strom, der durch einen Widerstand der Gruppierung fließt, und dem Strom, der ein Gebiet der Membranelektrodenanordnung (MEA) direkt benachbart dieses Widerstandes verlässt. Anschließend ist die Verteilung des Stromes, der eine gesamte Brennstoffzelle verlässt, durch die Gruppierung von Widerstanden über die gesamte Querschnittsfläche der Zelle bestimmbar. Vorausgesetzt, dass der Widerstandswert jedes Widerstandes ein bekannter Wert ist, wird der Strom, der durch einen bestimmten Widerstand fließt, durch Messen des Spannungsabfalls über diesen Widerstand bestimmt. Auf diese Art und Weise wird der Strom, der durch eine MEA erzeugt wird, als eine Funktion der Position bestimmt, indem die Spannungsabfälle über jeden Widerstand in der Gruppierung gemessen werden. Mit anderen Worten wird der Strom als eine Funktion der Position über die MEA überwacht.
Eine äquivalente Vorgehensweise wird dazu verwendet, die Temperaturverteilung einer Brennstoffzelle zu überwachen. Bei einer Alternative umfasst die Gruppierung Temperatur erfassende Widerstände, d. h. Thermistoren, wobei jeder Thermistor einem anderen Gebiet der MEA zugeordnet ist. Bei einer anderen Alternative umfasst die Anordnung jeweilige Gruppierungen aus Thermistoren und Strom erfassenden Widerständen. Dieses Verfahren verlässt sich auf die Beziehung zwischen der Temperatur, die durch einen Thermistor erfasst wird, der für die Temperatur eines Gebietes der MEA direkt benachbart zu diesem Thermistor repräsentativ ist. Anschließend ist die Verteilung der Temperatur über eine gesamte Brennstoffzelle durch die Gruppierung aus Thermistoren über die gesamte Querschnittsfläche der Zelle bestimmbar. Vorausgesetzt, dass der Temperaturkoeffizient jedes Thermistors ein bekannter Wert ist, wird die Temperatur jedes Thermistors durch Messen des Spannungsabfalls über jeden Thermistor bestimmt. Auf diese Art und Weise wird die Temperatur einer MEA als eine Funktion der Position durch Messen der Spannungsabfälle über jeden Thermistor in der Gruppierung bestimmt. Mit anderen Worten wird die Temperatur als eine Funktion der Position über die MEA überwacht.
Ein Beispiel, bei dem die Stromverteilung einer Elektrode gemessen wurde, ist in den 11A und 11B gezeigt. In 11A wurde eine Vergleichselektrode verwendet. Dies bedeutet, dass eine Vergleichselektrode verwendet wurde, die eine gleichförmige Katalysatorbeladung über die Oberfläche der Elektrode umfasst. Die Elektrode wurde in etwa 150 bis 200 Gebiete unterteilt, und Einlässe der bipolaren Platte, die dazu verwendet wurden, die gasförmigen Reaktanden über die Oberfläche der Elektrode zu verteilen, wurden an die oberen bzw. unteren Bereiche jeder Figur angeordnet. Wenn eine Vergleichselektrode mit einer gleichförmigen Katalysatorbeladung von 0,4 mg/cm² geprüft wurde, traten heiße Stellen, d. h. Bereiche mit erhöhter elektrochemischer Aktivität und Stromdichte, ausgeprägt um die Einlässe und die oberen und unteren Ränder der bipolaren Platte auf. Somit sind diese heißen Stellen anfällig gegenüber einer gesteigerten Degradation über die Lebensdauer der Brennstoffzelle, einschließlich der Entwicklung von Nadellöchern, einem Reißen bzw. Platzen der Katalysatorschicht und einer Delaminierung.
Wie in 11B gezeigt ist, wurde eine Elektrode ähnlich der, die in 5 gezeigt ist, verwendet. Dies bedeutet, dass eine Elektrode mit einer verringerten Katalysatorbeladung in dem Umfangsgebiet und einer erhöhten Katalysatorbeladung in dem Zentralgebiet der Elektrode verwendet wurde. Wie in 11B gezeigt ist, sind die heißen Stellen in den Bereichen, in denen die Gaseinlässe und die oberen und unteren Ränder vorhanden sind, aufgrund der Elektrodenausgestaltung erheblich verringert, wodurch die Fähigkeit vorgesehen wird, die Stromdichte zu steuern. Somit ist die Elektrode mit einer verringerten Katalysatorbeladung in dem Umfangsgebiet weniger anfällig gegenüber einer Degradation über die Lebensdauer der Brennstoffzelle und erzeugt ferner eine gleichförmigere Stromdichte über die Oberfläche der Elektrode.
Nun werden Verfahren zur Herstellung der Elektroden der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es sei jedoch zu verstehen, dass die folgenden Herstellverfahren lediglich beispielhafter Natur sind, und dass jedes Verfahren, das Fachleuten in der Technik bekannt ist, verwendet werden kann. Bevorzugt umfassen die Verfahren, die verwendet werden können, ein Abziehlagenverfahren, ein Zugstangenverfahren, eine Robotertintenabgabe, ein lithografisches Verfahren oder eine Direktschreib- oder Micro-Pen-Technik.
Das Abziehlagenverfahren verwendet mit Katalysator versehene Kohlenstoffpartikel, die hergestellt und dann mit dem Ionomerbinder in Lösung mit einem Lösemittel zum Gießen kombiniert werden. Bevorzugte Lösemittel sind wässriger oder alkoholischer Natur, jedoch können auch Lösemittel, wie beispielsweise Dimethylessigsäure (DMAc) oder Trifluoressigsäure (TFA) verwendet werden.
Die Gusslösung wird auf eine teflonierte Graphittafel aufgebracht. Die teflonierte Tafel wird dann in einem Ofen gebacken und anschließend an ein ionenleitendes Element 50, wie eine PEM, heißgepresst. Die teflonierte Tafel wird dann von dem ionenleitenden Element 50 abgezogen, und der katalysatorbeschichtete Kohlenstoff oder Graphit bleibt eingebettet als eine kontinuierliche Elektrode 52 oder 54 zurück, wodurch die MEA 4 oder 6 (2) vollständig ausgebildet wird.
Um eine Elektrode 94 herzustellen, die ein Zentralgebiet 98 und ein Umfangsgebiet 96 umfasst, können zwei Gusslösungen verwendet werden. Insbesondere wird eine erste Gusslösung auf die teflonierte Graphittafel aufgebracht, um das Zentralgebiet 98 der Elektrode 94 zu bilden. Die erste Gusslösung besitzt einen vorbestimmten Gehalt an darin enthaltenen katalytischen Partikeln. Eine zweite Gusslösung wird dann auf die teflonierte Graphittafel aufgebracht, um das Zentralgebiet 98 um den Umfang herum als ein Umfangsgebiet 96 zu umrahmen. 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. Die teflonierte Tafel wird dann in einem Ofen gebacken und anschließend an ein ionenleitendes Element 50, wie eine PEM, heißgepresst. Der teflonierte Rohling wird dann von dem ionenleitenden Element 50 abgezogen, und das Zentralgebiet 98 und die Umfangsgebiete 96 bleiben eingebettet, wodurch die MEA 4 oder 6 vollständig gebildet wird.
Die zweite Gusslösung wird bevorzugt direkt nachdem die erste Gusslösung aufgebracht worden ist, aufgebracht, so dass die erste Gusslösung noch nicht vollständig getrocknet oder verfestigt ist. Das Aufbringen der Gusslösungen auf diese Weise stellt sicher, dass glatte kontinuierliche Elektroden an dem ionenleitenden Element 50 gebildet werden, so dass keine Diskontinuität in den Elektroden 94 vorhanden ist. Ferner erlaubt ein Aufbringen der Gusslösungen auf diese Weise, dass ein Gradient zwischen dem Zentralgebiet 98 und dem Umfangsgebiet 96 der Elektrode 6 oder 8 gebildet wird. Bei einer Abwandlung des obigen Verfahrens kann es bevorzugt sein, die erste und zweite Gusslösung im Wesentlichen gleichzeitig aufzubringen.
In Bezug auf das Zugstangenverfahren wird eine Gusslösung auf dieselbe Weise wie oben aufgebracht, jedoch wird, um die Katalysatorbeladung zu variieren, eine Zugstange verwendet, um die Dicke der Elektrode in verschiedenen Gebieten zu variieren, so dass einige Gebiete eine größere Menge von Katalysator enthalten, als andere. Insbesondere besitzt gemäß der in 5 gezeigten Elektrode das Zentralgebiet 98 eine größere Dicke als das Umfangsgebiet 96, und daher besitzt das Zentralgebiet 98 eine größere Katalysatorbeladung.
Um die in 9 gezeigte Elektrode mit den streifenförmigen elektrochemisch aktiven Gebieten 136 herzustellen, wird bevorzugt ein Direktschreibverfahren verwendet, wobei jedoch auch das obige Abziehlagen- oder Zugstangenverfahren verwendet werden könnte. Das Direktschreibverfahren ist in dem U.S. Patent US 4,485,387 A von Drumheller beschrieben, und ein Beispiel ist in 12 gezeigt. Ein Hersteller einer Vorrichtung, die die Direktschreibtechnik ausführen kann, ist MicroPen, Inc., die eine Tochtergesellschaft von Ohmcraft, Inc. in Honeoye Falls, New York ist.
Die Direktschreibtechnik verwendet eine Vorrichtung 144 mit einer dünnen Düsenspitze 146, um Fluide über einen breiten Bereich von Viskositäten in einer Vielzahl von Breiten und Dicken aufzubringen. Beispielsweise können Linien mit Breiten im Bereich von etwa 0,025 mm bis 2,0 mm und Dicken im Bereich von bis zu etwa 0,25 mm mit einer derartigen Technik erreicht werden. Bevorzugt betragen die Breiten der elektrochemisch aktiven Gebiete zumindest die Hälfte der Breite oder bis zu etwa dem 1,25-fachen der Breite der entsprechenden Kanäle der bipolaren Platten. Allgemein liegen die Breiten der Kanäle bevorzugt im Bereich von etwa 0,25 mm bis 3,0 mm und bevorzugter im Bereich von etwa 0,50 mm bis 1,5 mm. Somit liegen die Breiten des elektrochemisch aktiven Materials 60 bevorzugt im Bereich von etwa 0,10 mm bis 4,0 mm und bevorzugter im Bereich von etwa 0,25 mm bis 2,0 mm.
Die Direktschreibtechnik wird dazu verwendet, ein Gusslösemittel des elektrochemisch aktiven Materials auf die teflonierten Tafeln in den gewünschten Breiten und Dicken in dem gewünschten Muster für die elektrochemisch aktiven Gebiete 136 aufzutragen. Nachdem das Lösemittel auf die teflonierten Tafeln in dem gewünschten Muster aufgetragen worden ist, werden die Rohlinge im Ofen getrocknet. Die teflonierten Tafeln werden dann auf gegenüberliegende Flächen des ionenleitenden Elements 50 heißgepresst und anschließend entfernt, so dass das elektrochemisch aktive Material, das an dem ionenleitenden Element 50 angeordnet ist, als die elektrochemisch aktiven Gebiete 136 der Anode und Kathode in dem bevorzugten Muster streifenförmige Gebiete oder punktförmige Gebiete zurückbleibt, um eine MEA 4 oder 6 zu bilden.

Claims

Brennstoffzelle mit: einer Membranelektrodenanordnung (4, 6), die ein ionenleitendes Element (50) und eine Elektrode (94) umfasst, wobei die Elektrode (94) einen aktiven Bereich (96, 98) aufweist, der einen Katalysator umfasst; einem Strömungsfeld (65), das eine Vielzahl von Strömungspfaden (86) aufweist, die zu der Elektrode (99) weisen; wobei der Katalysator in dem aktiven Bereich (96, 98) entlang zumindest eines Strömungspfades (86) in einer ungleichförmigen Beladung verteilt ist, so dass eine elektrochemische Aktivität entlang des Strömungspfades (86) variiert; dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Bereich (96, 98) der Elektrode (94) ein Umfangsgebiet (96) und ein Zentralgebiet (98) umfasst und die Katalysatorbeladung in dem Umfangsgebiet (96) geringer als in dem Zentralgebiet (99) ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Strömungspfad (86) einen gasförmigen Reaktanden entlang des aktiven Bereichs (96, 98) der Elektrode führt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Strömungsfeld (86) ferner einen Einlass (72) und einen Auslass (74) umfasst; und der zumindest eine Strömungspfad (86) den aktiven Bereich (96, 98) zwischen dem Einlass (72) und dem Auslass (74) durchquert, wobei die Katalysatorbeladung mit einer Distanz von dem Einlass (72) zunimmt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei sich eine Katalysatorbeladung an einem Einlass (72) eines Strömungspfades von einer Katalysatorbeladung an einem Auslass (74) eines benachbarten Strömungspfades unterscheidet.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorbeladung entlang aller Strömungspfade (86) der Vielzahl von Strömungspfaden variiert.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der aktive Bereich (96, 98) der Elektrode (94) eine Vielzahl streifenförmiger Gebiete umfasst, wobei ein erster Anteil (98) der streifenförmigen Gebiete eine erhöhte Katalysatorbeladung im Vergleich zu einem zweiten Anteil (96) der streifenförmigen Gebiete besitzt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die aktive Fläche (96, 98) der Elektrode (94) eine Vielzahl punktförmiger Gebiete umfasst, wobei ein erster Anteil der punktförmigen Gebiete eine erhöhte Katalysatorbeladung im Vergleich zu einem zweiten Anteil der punktförmigen Gebiete besitzt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Katalysator aus Pt, Pd, Pt/Übergangsmetalllegierungen und deren Kombinationen besteht.