DE112005002678T5

DE112005002678T5 - Geteilte Architekturen für MEA-Haltbarkeit

Info

Publication number: DE112005002678T5
Application number: DE112005002678T
Authority: DE
Inventors: Bhaskar Sompalli; Susan G. Yan; Anthony B. Lynnfield LaConti; Brian A. Litteer
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-11-05
Filing date: 2005-10-18
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2025-10-19
Also published as: WO2006052388A3; US20060099486A1; DE112005002678B4; JP2008519420A; WO2006052388A2; CN101443935A; CN101443935B; US7816058B2

Abstract

Anordnung für eine Brennstoffzelle, mit:
einer ionenleitenden Membran, die eine Hauptfläche aufweist;
einem elektrisch leitenden Element, das zu der Membranhauptfläche weist und eine aktive Schicht aufweist, wobei die aktive Schicht einen Katalysatorgehalt der aktiven Schicht aufweist; und
einer Elektrode zwischen der ionenleitenden Membran und dem elektrisch leitenden Element, wobei die Elektrode eine Hauptfläche an der Membranhauptfläche aufweist und die Elektrode einen Elektrodenkatalysatorgehalt aufweist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere Membranelektrodenanordnungen für eine Brennstoffzelle.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind als eine Energiequelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine derartige Brennstoffzelle ist die PEM-(d.h. Protonenaustauschmembran-)Brennstoffzelle, die eine so genannte "Membranelektrodenanordnung" (MEA) mit einem dünnen Festpolymermembranelektrolyt aufweist, der ein Paar Elektroden (d.h. eine Anode und eine Kathode) auf entgegengesetzten Seiten des Membranelektrolyten besitzt. Die MEA ist schichtartig zwischen planaren Gasverteilungselementen angeordnet.
Die Elektroden besitzen typischerweise eine kleinere Oberfläche im Vergleich zu dem Membranelektrolyt, so dass Ränder des Membranelektrolyten von den Elektroden nach außen vorstehen. An diesen Rändern des Membranelektrolyten sind Dichtungselemente oder Abdichtungen angeordnet, die die Elektroden um den Umfang herum einrahmen. Aufgrund der Begrenzungen von Herstelltoleranzen sind die Dichtungen, die MEA und die Gasverteilungselemente nicht angemessen eng ausgerichtet, was zu Rissen und Stiftlöchern in dem empfindlichen Membranelektrolyt führen kann. Dies reduziert seinerseits die Lebensdauer des Membranelektrolyten.
Ferner kann aufgrund der Beschränkungen von Herstelltoleranzen ein Fluss von Reaktanden den Festpolymerelektrolyt von einer Elektrode zu der anderen Elektrode durchqueren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Angesichts der obigen Nachteile sieht die vorliegende Erfindung eine Membranelektrodenanordnung vor, die ein ionenleitendes Element, eine Elektrode und ein elektrisch leitendes Element aufweist, das eine aktive Schicht aufweist, wobei die Elektrode im Wesentlichen eine glatte kontinuierliche Schicht ist, die das ionenleitende Element vollständig bedeckt und stützt. Die Elektrode und die aktive Schicht umfassen ferner einen ersten bzw. zweiten Katalysatorgehalt; und 50 % des Gesamtkatalysatorgehalts sind in der Elektrode vorhanden und 50 % des Gesamtkatalysatorgehalts sind in der aktiven Schicht vorhanden.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und 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.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 eine Schnittansicht einer Membranelektrodenanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein Diagramm ist, das die Haltbarkeitslebensdauern und die Fluoridelution in Wasser zwischen einer katalysatorbeschichteten Standardmembranelektrodenanordnung und einer katalysatorbeschichten Standarddiffusionsmediumanordnung vergleicht;
3A und 3B Schnittansichten einer Membranelektrodenanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind;
4 eine Membranelektrodenanordnung nach dem Stand der Technik ist; und
5 eine Membranelektrodenanordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
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 schichtartig durch eine Anoden elektrode 6 und eine Kathodenelektrode 8 angeordnet ist, die ein Paar aktiver Flächen 9 und 11 vorsehen. Die MEA 2 ist ferner schichtartig durch ein Paar elektrisch leitender Elemente 10 und 12 oder Gasdiffusionsmedien 10 und 12 angeordnet. Die Gasdiffusionsmedien 10 und 12 umfassen jeweils eine aktive Schicht 13, die sich benachbart der aktiven Flächen 9 und 11 der MEA 2 befindet und die um den Umfang herum durch rahmenförmige Dichtungselemente 14 und 16 umgeben ist. Die Dichtungselemente 14 und 16 und die katalysatorbeschichteten Diffusionsmedien 10 und 12 können an das ionenleitende Element 4 und/oder die Elektroden 6 und 8 laminiert sein, müssen dies jedoch nicht.
Das ionenleitende Element 4 ist bevorzugt ein Festpolymermembranelektrolyt und bevorzugt eine PEM. Das Element 4 wird hier auch als eine Membran 4 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 Nr. 5,272,017 und 3,134,697 und an anderen Stellen in der Patent-und Nicht-Patentliteratur beschrieben. Es sei jedoch angemerkt, dass die Zusammensetzung des ionenleitenden Elements 4 beliebige der protonenleitenden Polymere, die in der Technik herkömmlich verwendet werden, umfassen kann. Bevorzugt werden perfluorierte Sulfonsäurepolymere, wie NAFION^®, verwendet. Ferner kann das Polymer den ausschließlichen Bestandteil der Membran bilden, mechanisch stützende Fasern eines anderen Materials enthalten oder mit Partikeln vermischt sein (beispielsweise mit Silika, Zeoliten oder anderen ähnlichen Partikeln). Alternativ dazu kann das Polymer oder Ionomer in den Poren eines anderen Materials getragen sein.
Das ionenleitende Element 4 ist eine kationenpermeable protonenleitende Membran mit H⁺-Ionen als dem mobilen Ion; das Brennstoffgas ist Wasserstoff (oder Reformat) und das Oxidationsmittel ist Sauerstoff oder Luft. Die Gesamtzellenreaktion ist die elektrochemische Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser, und die jeweiligen Reaktionen an der Anode und Kathode sind H₂ = 2H⁺ + 2e^– (Anode) und 1/2 O₂ + 2H⁺ + 2e^– = H₂O (Kathode).
Die Zusammensetzung der Anodenelektrode 6 und der Kathodenelektrode 8 umfasst bevorzugt elektrochemisch aktives Material, das in einem Polymerbinder dispergiert ist, der ähnlich dem ionenleitenden Element 4 ein protonenleitendes Material ist, wie NAFION^®. Das elektrochemisch aktive Material umfasst bevorzugt katalysatorbeschichtete Kohlenstoff- oder Graphitpartikel. Die Anodenelektrode 6 und die Kathodenelektrode 8 umfassen bevorzugt Platin-Ruthenium, Platin oder andere Pt/Übergangsmetalllegierungen als den 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 die Kathode 8 verschiedene Größen besitzen (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.
Die Gasdiffusionsmedien 10 und 12 können beliebige, in der Technik bekannte Gasdiffusionsmedien sein. Bevorzugt sind die Gasdiffusionsmedien 10 und 12 Kohlepapiere, Kohlegewebe oder Kohleschäume mit einer Dicke im Bereich von etwa 50–300 μm. Diese können mit verschiedenen Niveaus von Teflon^® oder anderen Fluorkohlenwasserstoffen imprägniert sein, um mehr oder weniger Hydrophobie zu erreichen. Gemäß der vorliegenden Erfindung und wie oben beschrieben ist, umfassen die Gasdiffusi onsmedien 10 und 12 auch aktive Schichten 13, die benachbart der aktiven Flächen 9 und 11 der MEA 2 angeordnet sind. Die aktiven Schichten 13 bestehen aus elektrochemisch aktivem Material, das in einem Polymerbinder dispergiert ist, der ähnlich den Anoden- und Kathodenelektroden 6 und 8 ein protonenleitendes Material ist, wie NAFION^®. Das elektrochemisch aktive Material umfasst bevorzugt katalysatorbeschichtete Kohlenstoff- oder Graphitpartikel. Die aktiven Schichten 13 umfassen bevorzugt Platin-Ruthenium, Platin oder andere Pt/Übergangsmetalllegierungen als den Katalysator.
Überdies ist es, obwohl es von der vorliegenden Erfindung nicht gefordert wird, bevorzugt, eine Zwischenschicht 15 vorzusehen, die zwischen der aktiven Schicht 13 und dem Gasdiffusionsmedium 10 oder 12 angeordnet ist. Diese Zwischenschicht 15, die eine mikroporöse Schicht 15 ist, besteht bevorzugt aus Kohlenstoff- oder Graphitpartikeln, die in einem Teflon^®-Binder dispergiert sind. Diese Zwischenschicht 15 ist eine Wassermanagementschicht, die Wasser, das aus der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle erzeugt wird, von den Anoden- und Kathodenelektroden 6 und 8 wegsaugt. Ferner verhindert die Zwischenschicht 15, dass der Katalysator und das Ionomer der aktiven Schicht 13 und der Elektroden 6 und 8 in das Diffusionsmedium 10 und 12 lecken. Bevorzugt ist die Zwischenschicht 5–25 μm dick und am bevorzugtesten 10–15 μm dick.
Die Dichtungselemente 14 und 16 sind typischerweise elastomerer Natur, können jedoch auch Materialien umfassen, wie Polyester und PTFE. Jedoch können die Dichtungselemente 14 und 16 ein beliebiges Material sein, das zum Abdichten der Membranelektrodenanordnung 2 ausreichend ist. Eine bevorzugte Dicke der Dichtungselemente 14 und 16 be trägt etwa 1/2 der Dicke der Gasdiffusionsmedien 10 und 12 bis zu etwa dem 1 1/2-fachen der Dicke der Gasdiffusionsmedien 10 und 12.
Die Elektroden 6 und 8 und die aktiven Schichten 13 umfassen bevorzugt eine Gesamtkatalysatorbeladung im Bereich von 0,05–0,4 mg/cm². Die bevorzugteste Gesamtkatalysatorbeladung beträgt 0,4 mg/cm². Bevorzugt befinden sich 25–100 % der Gesamtbeladung in der Elektrode 6 und 8, und 0–75 % in der aktiven Schicht 13. Bevorzugter befinden sich 40–80 % der Gesamtbeladung in der Elektrode 6 und 8, und 20–60 % in der aktiven Schicht 13. Am bevorzugtesten befinden sich 50 % der Gesamtbeladung in der Elektrode 6 und 8 und 50 % befinden sich in der aktiven Schicht 13. Somit beträgt bei der bevorzugtesten Ausführungsform eine Beladung der Elektroden 6 und 8 bevorzugt 0,2 mg/cm² und eine Beladung der aktiven Schicht 13 ebenfalls 0,2 mg/cm². Es sei jedoch zu verstehen, dass die oben beschriebenen Katalysatorbeladungen der Elektroden 6 und 8 und der aktiven Schicht 13 nicht auf die obigen Prozentsätze beschränkt sein sollen und eine zwischen den Elektroden 6 und 8 und der aktiven Schicht 13 in einem beliebigen Prozentsatz aufgeteilte Beladung denkbar ist.
Der Vorteil der obigen Struktur besteht darin, dass ein katalysatorbeschichtetes Diffusionsmedium 10 und 12 in der rauen Brennstoffzellenumgebung eine sehr geringe Degradation aufweist. Die Degradation der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit kann durch Berechnen der Fluoridelution in dem Wasser überwacht werden, das als ein Ergebnis der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle erzeugt wird. 2 ist ein Schaubild, das einen Vergleich der Größe an Fluoridelution zwischen einer katalysatorbeschichteten Standardmembrananordnung und einer katalysatorbeschichteten Diffusionsmediumanordnung darstellt. Jede Anordnung wurde unter teilweise trockenen Bedingungen bei 95°C und 300 kPa getestet. Wie in 2 gezeigt ist, wies die katalysatorbeschichtete Standardmembrananordnung einen Fluoridverlust von 7 × 10^–7 g/cm²/h auf und hielt lediglich etwa 65 Stunden, bevor sich ernsthafte Schäden entlang der Katalysatorschichtränder entwickelten. Im Gegensatz dazu wies die katalysatorbeschichtete Diffusionsmediumanordnung lediglich einen Fluoridverlust von 5 × 10^–9 g/cm²/h auf und hielt etwa 350 Stunden. Der Schaden trat auf, als die Membran 4 entlang der Ränder der Diffusionsmedien 10 und 12 aufgrund dessen riss, dass die Fasern der Diffusionsmedien 10 und 12 die Membran 4 durchstachen.
Somit wird durch Verwendung einer geteilten Architektur, die eine aktive Schicht 13, die auf die Diffusionsmedien 10 und 12 beschichtet ist, wie auch eine Elektrode 6 oder 8 aufweist, wobei die Gesamtkatalysatorbeladung zwischen jedem Gebiet aufgeteilt ist, die Gesamtzellenleistungsfähigkeit gesteigert. Dies ist darauf zurückzuführen, da die geteilte Architektur der MEA 2 sowohl den Vorteil der geringen Degradation, der durch ein katalysatorbeschichtetes Diffusionsmedium 10 und 12 gewährt wird, als auch den Vorteil einer Doppelschicht, um die Membran 4 vor Durchstechen zu schützen, vorsieht.
Ferner wird durch Verwendung der Elektroden 6 und 8, die das ionenleitende Element 4 vollständig bedecken, in Verbindung mit den katalysatorbeschichteten Diffusionsmedien 10 und 12 eine mechanische Abstützung über die gesamte Fläche des ionenleitenden Elements 4 erreicht. Dies bedeutet, das ionenleitende Element 4 ist vor den hohen Drücken geschützt, die notwendig sind, um die Brennstoffzellenanordnung zu komprimieren und damit eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit zwischen ihren Komponenten sicherzustellen. Dies reduziert seinerseits die Möglichkeit, dass die Membran 4 kriecht und reißt.
Noch weiter sei angemerkt, dass die Anodenelektrode 6 und die Kathodenelektrode 8 über dem ionenleitenden Element 4 als kontinuierliche glatte Schichten angeordnet sind, die eine im Wesentlichen flache Fläche für die anderen Elemente der MEA 2 zur Auflage darauf vorsehen. Dies ist nützlich, da, wenn Elemente, wie die Diffusionsmedien 10 und 12 und die Dichtungselemente 14 und 16, zusammen mit der MEA 2 in einer Brennstoffzelle komprimiert werden, um die elektrische Leitfähigkeit der Elektronen, die in der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle erzeugt werden, zu erleichtern und zu steigern, das ionenleitende Element 4 über seine gesamte Fläche hinweg einem gleichförmigen Druck ausgesetzt wird. Wenn das ionenleitende Element 4 über seine Fläche hinweg gleichförmigen Drücken ausgesetzt ist, wird eine übermäßige Beanspruchung des ionenleitenden Elements 4 beseitigt. Somit werden auch die Risse und Stiftlöcher, die sich entwickeln können und die Lebensdauer der MEA 2 verkürzen und das Gesamtzellenpotential hemmen, ebenfalls beseitigt.
Obwohl mit Katalysator versehene Kohlenstoff- oder Graphitpartikel, die in einem protonenleitenden Binder, wie NAFION^® dispergiert sind, beschrieben worden und bevorzugt sind, liegt es nicht außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung, die Kohlenstoff- oder Graphitpartikel und den protonenleitenden Binder durch andere Materialien zu ersetzen. Beispielsweise können elektrisch leitende Oxide, Carbide und Nitride und insbesondere elektrisch leitende Metalloxide, -carbide und -nitride verwendet werden. Genauer kann ein Partikelmaterial, wie Siliziumcarbid, Titandioxid, Siliziumdioxid, beliebige andere Keramik oder ein anderes Material, das eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit besitzt, die bevorzugt gleich oder größer als die von Kohlenstoff ist, anstelle der Kohlenstoff- oder Graphitpartikel verwendet werden. Es ist auch bevorzugt, dass dieses Partikelmaterial eine Partikelgröße aufweist, die gleich oder kleiner als 15 μm ist, in der Brennstoffzellenumgebung chemisch stabil ist und eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit bevorzugt gleich oder größer als die von Kohlenstoff- oder Graphitpartikeln besitzt.
Ein Beispiel eines Binders, der anstelle des protonenleitenden Binders verwendet werden kann, ist Polybenzimidazol (PBI). Andere Binder können ebenfalls geeignet sein, solange sie eine gute Anhaftung an der Ionomermembran beibehalten, in der Brennstoffzellenumgebung 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 aufrechterhalten, nachdem die gegossenen Filme Temperaturauslenkungen bis zu 150°C aushalten. Genauer sollten die Anodenelektrode 6 und die Kathodenelektrode 8 Materialien umfassen, die in etwa dieselbe Zugfestigkeit, Nicht-Standardmodul, Bruchdehnung, relative Dichte, Wasseraufnahme und lineare Ausdehnung bereitstellen.
Nun wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bezug nehmend auf 3A umfassen die Anodenelektrode 6 und die Kathodenelektrode 8 jeweils ein Zentralgebiet 18 und ein Umfangsgebiet 20. 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. Insbesondere ist es bevorzugt, dass das Zentralgebiet 18 der Anode 6 und Kathode 8 eine Katalysatorbeladung im Bereich von etwa 0,05–0,2 mg/cm² der katalytisch aktiven Phase (beispielsweise Pt) umfassen. Es ist besonders bevorzugt, dass das Zentralgebiet 18 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 oben beschriebenen Bereiche ist, und umfasst bevorzugter eine Katalysatorbeladung (beispielsweise Pt) von Null.
Es existiert keine Beschränkung darüber, wie die Zentral- und Umfangsgebiete 18 und 20 angeordnet sein sollten, um das ionenleitende Element 4 zu schützen und das Element 4 gleichförmigen mechanischen Eigenschaften auszusetzen. In 3A sind die Anodenelektrode 6 und die Kathodenelektrode 8, die das Zentralgebiet 18 und das Umfangsgebiet 20 aufweisen, auf das ionenleitende Element 4 beschichtet, um das ionenleitende Element 4 vollständig zu bedecken. Somit ruhen die Diffusionsmedien 10 und 12, die die aktiven Schichten 13 aufweisen, auf der Anodenelektrode 6 und der Kathodenelektrode 8. Dichtungselemente 14 und 16 rahmen die Diffusionsmedien 10 und 12 ein und ruhen ebenfalls auf der Anodenelektrode 6 und der Kathodenelektrode 8, um die Anordnung 2 abzudichten. Die Dichtungselemente 14 und 16 und die katalysatorbeschichteten Diffusionsmedien 10 und 12 können an die Anodenelektrode 6 und die Kathodenelektrode 8 laminiert sein, müssen dies jedoch nicht.
Im Gegensatz dazu können, wie in 3B gezeigt ist, die aktiven Schichten 13 der Diffusionsmedien 10 und 12 die Zentral- und Umfangsgebiete 28 und 30 aufweisen. Die Dichtungselemente 14 und 16 sind nun in Kontakt mit dem ionenleitenden Element 4 angeordnet. Die aktiven Schichten 13, die die Zentral- und Umfangsgebiete 28 und 30 aufweisen, können an die Anoden- und Kathodenelektroden 4 und 6 laminiert sein, müssen dies jedoch nicht. Ferner können die Dichtungselemente 14 und 16 an die Diffusionsmedien 10 und 12 laminiert sein, müssen dies jedoch nicht.
Es sei zu verstehen, dass eine definitive Grenze zwischen dem Zentralgebiet 18, 28 und dem Umfangsgebiet 20, 30 nicht unbedingt vorhanden ist, wie in den 3A und 3B gezeigt ist. Insbesondere sei zu verstehen, dass im Wesentlichen ein Gradient zwischen dem Zentralgebiet 18, 28 und dem Umfangsgebiet 20, 30 existiert, so dass der Gehalt an Katalysator sich allmählich von einem größeren Gehalt in dem Zentralgebiet 18, 28 zu einem geringeren Gehalt in dem Umfangsgebiet 20, 30 bewegt. Dieser Gradient existiert über den Verlauf von beispielsweise 1 mm. Ferner sollten die Anodenelektrode 6, die Kathodenelektrode 8 und die aktiven Schichten 13 der Diffusionsmedien 10 und 12 jeweils als eine glatte kontinuierliche Schicht vorhanden sein, so dass das ionenleitende Element 4 im Wesentlichen gleichförmigen mechanischen Eigenschaften über seine gesamte Oberfläche hinweg ausgesetzt ist, was das ionenleitende Element 4 vor Beanspruchung, Überkompression und Durchstechen schützt.
Die Verwendung einer Konfiguration, bei der das Zentralgebiet 18, 28 einen Katalysatorgehalt aufweist, der größer als ein Katalysatorgehalt des Umfangsgebiets 20, 30 ist, sieht auch den Vorteil vor, dass der teure Katalysator, der bevorzugt Metallkatalysatoren, wie Platin, Palladium, Titan, Ruthenium, Rhodium, Wolfram, Zinn oder Molybdän umfasst, nicht in Bereichen verwendet wird, in denen die (elektro-)chemische Reaktion gehemmt oder nicht erwünscht ist. Ein derartiger Bereich ist an den Rändern der elektrisch leitenden Gasdiffusionsmedien 10 und 12 angeordnet.
Ein anderer Vorteil einer Konstruktion, bei der der Katalysatorgehalt in dem Umfangsgebiet 20, 30 kleiner als in dem Zentralgebiet 18, 28 ist, besteht darin, dass die Erzeugung von Wärme unterdrückt ist. Die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle erzeugt zusätzlich zu Wasser Wärme. Bei einer Brennstoffzelle wird die Wärme, die durch die elektrochemische Reaktion (oder durch chemische Reaktion aufgrund entweder einer Gaspermeation durch die Membran 4 oder einem Gasübertritt durch Stiftlöcher in der Membran 4) erzeugt wird, durch die porösen Gasdiffusionsmedien 10 und 12 weg übertragen.
Bei 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 Beanspruchung und Durchstechen zu schützen. Obwohl elektrochemische Reaktionsraten in Gebieten außerhalb der Diffusionsmedien 10 und 12 (aufgrund einer schlechten elektronischen, in der Ebene erfolgenden Leitung in den Elektroden 6 und 8) größtenteils vermindert sind, wird dennoch Wärme aufgrund dessen erzeugt, dass der Katalysator dennoch vorhanden und den gasförmigen Reaktanden ausgesetzt ist. Da die gasförmigen Reaktanden Zugang zu dem Katalysator besitzen, dauert die elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle in dem Umfangsgebiet 20, 30 weiterhin an, die Wärme erzeugt; insbesondere in dem Fall kleiner Membranstiftlöcher führt eine Permeation von Reaktand (H₂ oder O₂) zu einer chemischen Reaktion, die Wärme erzeugt. Somit reduziert und unterdrückt eine Verringerung des Katalysatorgehalts über einen Gradienten zwischen dem Zentralgebiet 18, 28 und dem Umfangsgebiet 20, 30 bevorzugt hinunter auf Null die Menge an erzeugter Wärme.
Bei der zweiten Ausführungsform, die das Zentralgebiet 18, 28 und das Umfangsgebiet 20, 30 umfasst, sei angemerkt, dass für das Zentralgebiet 18, 28 und das Umfangsgebiet 20, 30 verschiedene Materialien verwendet werden können, solange die mechanischen Eigenschaften jedes Gebietes im Wesentlichen gleich sind, so dass entlang der Flächen des ionenleitenden Elements 4 keine Diskontinuität hinsichtlich der Eigenschaften auftritt. Beispielsweise können das Zentralgebiet 18, 28 und das Umfangsgebiet 20, 30 verschiedene, mit Katalysator beschichtete, elektrisch leitende Trägerpartikel umfassen, wie Kohlenstoff, Graphit oder elektrisch leitende Oxide, Carbide und Nitride, insbesondere elektrisch leitende Metalloxide, -carbide und -nitride. Ferner kann relativ elektrisch nicht leitendes Partikelmaterial, wie Siliziumcarbid, Titandioxid, Siliziumdioxid, beliebige andere Keramik oder ein beliebiges anderes Material, das eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit besitzt, die bevorzugt gleich oder größer als die von Kohlenstoff ist, anstelle der Kohlenstoff- oder Graphitpartikel verwendet werden.
Zusätzlich zu der Verringerung der Menge an teurem Katalysator, der verwendet wird, und der Menge an Wärme, die erzeugt wird, kann die Erzeugung von Wasserstoffperoxid (H₂O₂) bei der zweiten Ausführungsform unterdrückt und beseitigt werden. Das heißt, während des Normalbetriebs einer Brennstoffzelle dringen Wasserstoff- und Sauerstoffgas durch das ionenleitende Element 4 zu der Kathode 8 bzw. der Anode 6, so dass sich Sauerstoff in der Anwesenheit des Wasserstoffbrennstoffes befindet. Wenn diese Reaktandengase in Kontakt mit dem elektrochemisch aktiven Material der Elektroden treten, wird der Sauerstoff reduziert und reagiert mit H⁺-Ionen, die aus der Oxidation des Wasserstoffbrennstoffgases erzeugt werden. Diese beginnende Nebenreaktion zwischen dem reduzierten Sauerstoff und den H⁺-Ionen erzeugt H₂O₂ wie folgt: O₂ + 2H⁺ + 2e^– = H₂O₂
Es ist bekannt, dass diese Erzeugung von H₂O₂ eine Degradation der Membran 4 und somit eine verminderte Brennstoffzellenlebensdauer und -leistungsfähigkeit bewirkt. Bezug nehmend auf 4 ist eine Membranelektrodenanordnung 2 nach dem Stand der Technik gezeigt. Wie ebenfalls in 4 gezeigt ist, umfasst eine Membranelektrodenanordnung nach dem Stand der Technik Unterdichtungen 22 und 24, die zwischen der Membran 4 und unter den Dichtungselementen 14 und 16 angeordnet sind. Aufgrund von Herstelltoleranzen der Dichtungselemente 14 und 16 und der Unterdichtungen 22 und 24 sind die Brennstoffzellengase stärker für eine Durchdringung der Membran 4 an den Rändern der Membran 4 an so genannten Spalten 50 zwischen den Elementen der Brennstoffzelle anfällig, die durch diese Herstelltoleranzen bewirkt werden. Somit kann sich ein kondensierter Fluss 26 der Reaktandengase an den Rändern der Elektroden sammeln.
Nun Bezug nehmend auf 5 wandert, wo das Umfangsgebiet 20 der Elektroden 6, 8 das Zentralgebiet 18 umgibt, der kondensierte Fluss von Gasen 29, der sich in dem Umfangsgebiet 20 sammelt, in Richtung des Zentralgebietes 80. Wenn der kondensierte Fluss von Sauerstoff 29 mit dem elektrochemisch aktiven Bereich in Kontakt tritt, erfolgt die Erzeugung von H₂O₂. Die Degradation der Membran 4 erfolgt daher typischerweise an den Rändern der Anoden- und Kathodenelektroden 6 und 8 und insbesondere an den Rändern des Zentralgebiets 18.
Um die Erzeugung von H₂O₂ zu unterdrücken und zu beseitigen, kann das Umfangsgebiet 20 der Elektroden 6 und 8 mit einem elektrisch nicht leitenden Träger für das elektrochemische aktive Material anstelle von Kohlenstoff ausgebildet werden. Durch Verwendung eines elektrisch nicht leitenden Trägers wird der leitende Pfad von Elektronen, der erforderlich ist, um die Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff zu vervollständigen, beseitigt. Somit kann die Reaktion, die das H₂O₂ erzeugt, nicht stattfinden. Beispiele nicht leitender Trägerpartikel, die verwendet werden können, sind beispielsweise Zirkoniumoxid, Zeolite, Titanoxid, Aluminiumoxid und pyrogene Kieselsäure. Ein bevorzugter elektrisch nicht leitender Träger ist pyrogene Kieselsäure.
Es sei jedoch zu verstehen, dass jeder elektrisch nicht leitende Träger verwendet werden kann, solange die mechanischen Eigenschaften entlang der Membranfläche gleichförmig sind und die raue Brennstoffzellenumge bung aushalten können. Dies bedeutet, die Trägerpartikel sollten gegenüber der sauren Umgebung und Hochtemperaturumgebung inert sein. Ferner sollte die Partikelgröße des elektrisch nicht leitenden Trägers bevorzugt kleiner als 10 μm, bevorzugter kleiner als 1 μm sein und am bevorzugtesten in dem Bereich von 20–30 nm liegen.
Es sei auch zu verstehen, dass es bevorzugt ist, nicht leitende Trägerpartikel zu verwenden, die mit einem Platingruppenmetall mit Katalysator versehen sind, wie Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Iridium, Osmium und Legierungen daraus. Zusätzlich zu den obigen Katalysatoren können beliebige zusätzliche, in der Technik bekannte Katalysatoren verwendet werden, solange der Katalysator ein Niedertemperatur-Wasserstoff/Sauerstoffgasphasenrekombinationskatalysator ist. Dies bedeutet, der Katalysator sollte in Richtung Wasserstoff und Sauerstoff bei Temperaturen von kleiner als 100°C aktiv und in der sauren und feuchten Brennstoffzellenumgebung stabil sein. Eine bevorzugte Beladungskonzentration für den Katalysator an den elektrisch nicht leitenden Trägerpartikeln ist kleiner als 5 % und liegt bevorzugter im Bereich von 1–5 %.
Überdies sei zu verstehen, dass die Anodenelektrode 6 und die Kathodenelektrode 8 dennoch als eine glatte kontinuierliche Schicht vorhanden sind, so dass das ionenleitende Element 4 zu einer Elektrodenschicht 6 und 8 weist, die im Wesentlichen gleichförmige mechanischen Eigenschaften über ihre gesamte Fläche hinweg aufweist, was das ionenleitende Element 4 vor Beanspruchung, Überkompression und Durchstechen schützt. Ferner sei auch zu verstehen, dass auch zwischen dem Zentralgebiet 18 und dem Umfangsgebiet 20 der Gradient vorhanden ist, so dass der Gehalt an Katalysator sich allmählich von einem größeren Gehalt in dem Zentralgebiet 18 zu einem geringeren Gehalt in dem Umfangsgebiet 20 bewegt. Dieser Gradient existiert über den Verlauf von beispielsweise 1 mm.
Eine weitere Lösung für diese problematische Bildung von H₂O₂ ist die Verwendung eines Binders in dem Umfangsgebiet 20, der ein nicht ionenleitender Binder ist. Auf diese Weise wird der protonenleitende Pfad beseitigt. Ein Beispiel eines derartigen Binders ist ein thermoplastisches Harz, wie PBI. Andere Binder können geeignet sein und sind denkbar, solange sie eine gute Anhaftung an der Ionomermembran 4 beibehalten, in der Brennstoffzellenumgebung (d.h. einer sauren Umgebung, bei anodischen Potentialen (0 V gegenüber RHE) in der Anwesenheit von H₂, bei 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 aufrechterhalten, nachdem die gegossenen Filme Temperaturauslenkungen bis zu 150°C aushalten.
Eine noch weitere Lösung für die Erzeugung von H₂O₂ besteht darin, die beiden obigen Lösungen gleichzeitig zu verwenden. Insbesondere kann es erstrebenswert sein, den elektrisch nicht leitenden Stützpartikel mit dem Gasphasenrekombinationskatalysator in dem nicht ionenleitenden Binder zu dispergieren. Auf diese Weise werden die leitenden Pfade sowohl für die Elektronen als auch Protonen, die notwendig sind, um die Reaktion zur Bildung von H₂O₂ zu vervollständigen, beseitigt. Überdies sollte, obwohl es am bevorzugtesten ist, sowohl die Anoden- als auch Kathodenelektroden 6 und 8 gemäß einer der drei obigen Lösungen zu modifizieren, die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt sein. Dies bedeutet, entweder die Anode 6 oder die Kathode 8 können einzeln modifiziert werden, um den elektrisch nicht leitenden Träger, den nicht ionenleitenden Binder oder beides zu enthalten. Ferner liegt es nicht außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung, dass die Kathodenelektrode 8 den elektrisch nicht leitenden Träger und die Anodenelektrode 6 den nicht ionenleitenden Binder oder umgekehrt enthält.
Bei jeder der obigen Ausführungsformen können das Zentralgebiet 18 und das Umfangsgebiet 20 mit fein geteilten katalytischen Partikeln mit Katalysator versehen sein, so dass das Gewichtsverhältnis katalytischer Partikel zu Kohlenstoff- oder Graphitpartikeln des Umfangsgebietes 20 kleiner als dasjenige des Zentralgebietes 18 ist. Es ist offensichtlich, dass, wenn das Umfangsgebiet 20 keine Katalysatorpartikel enthält und das Zentralgebiet 18 mit Katalysator versehen ist, dieser Zustand erfüllt ist. Bei der Ausführungsform, bei der katalytische Partikel in beiden Gebieten enthalten sind, ist es bevorzugt, dass das Gewichtsverhältnis katalytischer Partikel zu Kohlenstoffpartikeln in dem Zentralgebiet 18 größer als dasjenige des Umfangsgebiets 20 ist.
Nun wird ein Verfahren zum Herstellen einer MEA 2 gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Um die Anode 6, die Kathode 8 und die aktiven Schichten der Diffusionsmedien herzustellen, werden mit Katalysator versehene Kohlenstoffpartikel hergestellt und dann mit dem Ionomerbinder in Lösung mit einem Gusslösemittel kombiniert. Bevorzugt umfassen die Anode 6, die Kathode 8 und die aktiven Schichten 1/3 Kohlenstoff oder Graphit, 1/3 Ionomer und 1/3 Katalysator. Bevorzugte Gusslösemittel sind wässriger oder alkoholischer Natur, wobei jedoch auch Lösemittel, wie Dimethylessigsäure (DMAc) oder Trifluoressigsäure (TFA) verwendet werden können.
Die Gusslösung wird auf eine Tafel aufgebracht, die zur Verwendung in einem Abziehlagenverfahren geeignet ist, wobei die Tafel bevorzugt eine teflonierte Tafel ist. Die Tafel wird anschließend an ein ionenleitendes Element 4, wie eine PEM, heißgepresst. Die Tafel wird dann abgezogen und der katalysatorbeschichtete Kohlenstoff oder Graphit bleibt als eine kontinuierliche Elektrode 6 oder 8 eingebettet. Die Gussschicht wird direkt auf das Diffusionsmedium aufgebracht, um die aktive Schicht 13 zu erzeugen.
Um ein Zentralgebiet 18 und ein Umfangsgebiet 20 herzustellen, können zwei Gusslösungen verwendet werden. Insbesondere wird eine erste Gusslösung auf die Tafel aufgebracht, die für ein Abziehlagenverfahren geeignet ist, um das Zentralgebiet 18 zu bilden. Die erste Gusslösung besitzt einen vorbestimmten Gehalt an katalytischen Partikeln, die darin enthalten sind. Eine zweite Gusslösung wird dann auf die Tafel aufgebracht, um das Zentralgebiet 18 als ein Umfangsgebiet 20 um den Umfang herum einzurahmen. Die zweite Gusslösung besitzt auch einen vorbestimmten Gehalt katalytischer Partikel. Die zweite Gusslösung kann einen Gehalt an katalytischen Partikeln besitzen, der kleiner als der der ersten Gusslösung ist, oder braucht überhaupt keinen Katalysator zu enthalten. Die Tafel wird dann anschließend an ein ionenleitendes Element 4 heißgepresst und dann abgezogen, um das Zentralgebiet 18 und die Umfangsgebiete 20 an dem ionenleitenden Element eingebettet zurückzulassen.
Die zweite Gusslösung wird 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 eine derartige Weise stellt sicher, dass eine glatte, kontinuierliche Schicht gebildet wird, so dass keine Diskontinuität in den Elektroden 6 und 8 oder der aktiven Schicht vorhanden ist. Ferner erlaubt das Aufbringen der Gusslösungen auf eine solche Weise, dass der Gradient zwischen dem Zentralgebiet 18 und dem Umfangsgebiet 20 ausgebildet wird. Bei einer Variation des obigen Verfahrens kann es bevorzugt sein, die erste und zweite Gusslösung im Wesentlichen gleichzeitig aufzubringen.
Mit Bezug auf ein Verfahren zum Herstellen einer MEA mit der Zwischenschicht, die zwischen der aktiven Schicht und dem Diffusionsmedium angeordnet ist, sollte die vorliegende Erfindung nicht auf ein bestimmtes Verfahren beschränkt sein. Beispielsweise kann die Zwischenschicht auf das Diffusionsmedium aufgestrichen oder gesprüht werden und kann die porösen Gebiete des Diffusionsmediums an seiner Fläche füllen.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige Abwandlungen werden nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung betrachtet.
Zusammenfassung
Eine Membranelektrodenanordnung umfasst ein ionenleitendes Element, eine Elektrode und ein elektrisch leitendes Element, das eine aktive Schicht aufweist, wobei die Elektrode eine glatte kontinuierliche Schicht ist, die das ionenleitende Element vollständig bedeckt und stützt. Die Elektrode und die aktive Schicht umfassen ferner einen ersten bzw. zweiten Katalysatorgehalt, und 50 % des Gesamtkatalysatorgehalts sind in der Elektrode vorhanden und 50 % des Gesamtkatalysatorgehalts sind in der aktiven Schicht vorhanden.

Claims

Anordnung für eine Brennstoffzelle, mit: einer ionenleitenden Membran, die eine Hauptfläche aufweist; einem elektrisch leitenden Element, das zu der Membranhauptfläche weist und eine aktive Schicht aufweist, wobei die aktive Schicht einen Katalysatorgehalt der aktiven Schicht aufweist; und einer Elektrode zwischen der ionenleitenden Membran und dem elektrisch leitenden Element, wobei die Elektrode eine Hauptfläche an der Membranhauptfläche aufweist und die Elektrode einen Elektrodenkatalysatorgehalt aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Elektrodenkatalysatorgehalt und der Katalysatorgehalt der aktiven Schicht jeweils mit Katalysator versehene Kohlenstoffpartikel umfassen, die in einem Binder dispergiert sind.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Elektrode eine Umfangsausdehnung besitzt, die im Wesentlichen gleich der der Membran ist und wobei die Elektrode ferner ein Zentralgebiet und ein Umfangsgebiet umfasst, wobei das Zentralgebiet eine erste Gruppe mit Katalysator versehener Partikel, die in einem Binder dispergiert sind, besitzt, und das Umfangsgebiet eine zweite Gruppe von Partikeln besitzt, die in einem Binder dispergiert sind und die mit Katalysator versehen sind oder nicht mit Katalysator versehen sind.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei die zweite Gruppe von Partikeln aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Zirkoniumoxid, Zeolite, Titanoxid, Aluminiumoxid und pyrogene Kieselsäure und Mischungen daraus.
Anordnung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei ein Binder der Zentral- und Umfangsgebiete gleich ist.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei die Partikel jeweils eine Partikelgröße gleich oder kleiner als 15 μm besitzen.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei Partikel der ersten und zweiten Gruppe mit Katalysator versehen sind, um den Katalysatorgehalt vorzusehen, und der Katalysator der aktiven Schicht und der Elektrodenkatalysator verschieden sind.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei Partikel der ersten und zweiten Gruppe mit Katalysator versehen sind, um den Katalysatorgehalt vorzusehen, und der Katalysator der aktiven Schicht und der Elektrodenkatalysator gleich sind.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei der Katalysator aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Platin, Palladium, Titan, Ruthenium, Rhodium, Wolfram, Zinn, Molybdän, Iridium, Osmium, Legierungen daraus und Mischungen daraus.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei das Zentralgebiet und das Umfangsgebiet jeweils eine im Wesentlichen ähnliche mechanische Abstützung für das ionenleitende Element vorsehen, wodurch ein Biegen der Membran minimiert wird.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei das Umfangsgebiet wärmeleitend ist.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei die Elektrode in der Form einer kontinuierlichen Schicht vorliegt und das Umfangsgebiet das Zentralgebiet umschließt.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei das Umfangsgebiet elektrisch nicht leitend ist.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei die erste Gruppe von Partikeln in einem ionenleitenden Binder dispergiert ist und die zweite Gruppe von Partikeln in einem nicht ionenleitenden Binder dispergiert ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Elektrodenkatalysatorgehalt und der Katalysatorgehalt der aktiven Schicht im Wesentlichen gleich sind.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Elektrodenkatalysatorgehalt 50 % des Gesamtkatalysatorgehalts der Anordnung umfasst, und der Katalysatorgehalt der aktiven Schicht 50 % des Gesamtkatalysatorgehalts der Anordnung umfasst.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei ein Gesamtkatalysatorgehalt der Anordnung im Bereich von 0,05–0,4 mg/cm² liegt.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Elektrodenkatalysatorgehalt 25–100 % des Gesamtkatalysatorgehalts der Anordnung um fasst, und der Katalysatorgehalt der aktiven Schicht 0–75 % des Gesamtkatalysatorgehalts der Anordnung umfasst.
Anordnung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die aktive Schicht ferner ein Zentralgebiet und ein Umfangsgebiet umfasst, wobei das Zentralgebiet eine erste Gruppe von Partikeln aufweist, die in einem Binder dispergiert sind, und das Umfangsgebiet eine zweite Gruppe von Partikeln aufweist, die in einem Binder dispergiert sind.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Element ferner eine Zwischenschicht umfasst, die Kohlenstoffpartikel umfasst, die in einem Binder dispergiert sind, und die die aktive Schicht mit dem elektrisch leitenden Element koppelt.
Anordnung nach Anspruch 20, wobei die Zwischenschicht eine Wassermanagementschicht ist.
Membranelektrodenanordnung, mit: einer ionenleitenden Membran, die eine Hauptfläche aufweist; einer Elektrode an der Hauptfläche, wobei die Elektrode eine kontinuierliche Schicht definiert, die die Membran stützt; und einem elektrisch leitenden Element benachbart der Elektrode und mit einer aktiven Schicht; wobei zumindest eines der Elektrode und der aktiven Schicht ein Zentralgebiet und ein Umfangsgebiet umfasst; und ein Gradient aus elektrochemisch aktivem Material zwischen dem Zentralgebiet und dem Umfangsgebiet existiert, so dass ein Gehalt des elektrochemisch aktiven Materials in dem Zentralgebiet größer als in dem Umfangsgebiet ist.
Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 22, wobei das Zentralgebiet eine erste Gruppe von Partikeln aufweist, die elektrisch leitend sind, und das Umfangsgebiet eine zweite Gruppe von Partikeln aufweist, die elektrisch nicht leitend sind.
Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 22, wobei die Elektrode eine Bewegung der Membran begrenzt.
Anordnung nach Anspruch 22, wobei das Zentralgebiet einen ionenleitenden Binder umfasst, der elektrisch leitende Partikel und ein aktives Material enthält.
Anordnung nach Anspruch 22, wobei das Umfangsgebiet einen nicht ionenleitenden Binder umfasst, der die elektrisch nicht leitenden Partikel und das aktive Material enthält.
Anordnung nach Anspruch 22, wobei das Umfangsgebiet ferner ein thermisch leitendes Material umfasst.
Anordnung nach Anspruch 26, wobei der nicht ionenleitende Binder ein thermoplastisches Harz ist.
Anordnung nach Anspruch 22, wobei die Elektrode und die aktive Schicht ferner einen ersten Katalysatorgehalt bzw. einen zweiten Katalysatorgehalt umfassen; und der erste Katalysatorgehalt 50 % des Gesamtkatalysatorgehalts der Anordnung aufweist und der zweite Katalysatorgehalt 50 % des Gesamtkatalysatorgehalts der Anordnung aufweist.
Anordnung nach Anspruch 22, wobei das elektrisch leitende Element ferner eine Zwischenschicht umfasst, die Kohlenstoffpartikel umfasst, die in einem Binder dispergiert sind, und die die aktive Schicht mit dem elektrisch leitenden Element koppelt.
Anordnung nach Anspruch 30, wobei die Zwischenschicht eine Wassermanagementschicht ist.