DE19908591A1

DE19908591A1 - Fuel cell electrode

Info

Publication number: DE19908591A1
Application number: DE19908591A
Authority: DE
Inventors: Andrei Kulikovsky; Jiri Divisek; Alexi Kornyshev; Hans-Friedrich Oetjen
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1999-02-27
Filing date: 1999-02-27
Publication date: 2000-08-31
Anticipated expiration: 2019-02-28
Also published as: EP1157435A1; DE19908591B4; WO2000052775A1

Abstract

The invention relates to a new method for reducing the costs for electrodes of polymer electrolyte fuel cells, also for direct methanol fuel cells. Said method is characterized in that the catalyst for the electrochemical reaction is either partially or completely removed from the catalytically active layer, namely from the areas underneath the fuel channels if fuel or oxidation agent transport across the diffusion layer is good, or from the areas underneath the conductive webs if fuel or oxidation agent transport across the diffusion layer is bad.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellen-Elektrode mit Betriebsstoffkanälen und Stromleitungsstegen oder mit einem Verbindungselement, welches Betriebsstoffka näle und Stromleitungsstege aufweist, sowie mit einer porösen Schicht und Katalysator. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer an spruchsgemäßen Brennstoffzellen-Elektrode sowie die Verwendung der anspruchsgemäßen Brennstoffzellen-Elek trode bei der Energieerzeugung durch elektrochemische Umsetzung eines Brennstoffs in einer Brennstoffzelle.The invention relates to a fuel cell electrode with fuel channels and power line bridges or with a connecting element, which Betriebsstoffka channels and power line webs, as well as with a porous layer and catalyst. Furthermore, the Invention a method for producing a Proven fuel cell electrode and the Use of the sophisticated fuel cell elec trode in the generation of energy by electrochemical Implementation of a fuel in a fuel cell.

Eine Brennstoffzelle weist eine Anode, einen Elektroly ten und eine Kathode auf. Der Kathode wird ein Oxidati onsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff oder Methanol zugeführt. Kathode und Anode einer Brennstoffzelle weisen in der Regel eine durchgehende Porosität auf, damit die beiden Betriebs stoffe, das Oxidationsmittel und der Brennstoff, den aktiven Bereichen der Elektroden zugeführt werden kön nen. Als Anodenmaterial wird bevorzugt Platin oder eine Platin/Ruthenium-Legierung verwendet. Als Kathode dient als bevorzugtes Material Platin. Das Anoden- und Katho denmaterial kann nach einem Verfahren, wie es in DE PS 42 41 150 beschrieben wird, in die Membran-Elektroden-An ordnung (MEA) integriert werden.A fuel cell has an anode, an electrolyte and a cathode. The cathode becomes an oxidati on means, e.g. B. air and the anode becomes a fuel, e.g. B. hydrogen or methanol. Cathode and Anode of a fuel cell usually have one continuous porosity so that the two operating substances, the oxidizing agent and the fuel that active areas of the electrodes can be supplied nen. Platinum or a is preferably used as the anode material Platinum / ruthenium alloy used. Serves as the cathode platinum as the preferred material. The anode and catho denmaterial can by a method as described in DE PS 42 41 150 is described in the membrane electrodes An regulations (MEA) can be integrated.

Eine Katalysatorbelegung mit Edelmetallen, die einen vollständigen Brennstoffverbrauch bewirkt, ist nachtei lig sehr teuer. Andererseits kommt es bei einer gerin gen Katalysatorbelegung nur zu unvollständigem Brenn stoffumsatz. Dies führt, wie z. B. bei der Methanol- Brennstoffzelle, nachteilig zur Diffusion des nicht um gesetzten Brennstoffs zur Kathode, wo es zur Hemmung der Kathodenreaktion kommt.A catalyst covering with precious metals, the one full fuel consumption is disadvantageous lig very expensive. On the other hand, it happens with one due to catalytic converter occupancy only to incomplete firing material turnover. This leads, e.g. B. in the methanol Fuel cell, detrimental to the diffusion of not around put fuel to the cathode where there is inhibition the cathode reaction comes.

In der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Ak tenzeichen 198 12 498.8-45 wird ein Verfahren zur mate rialsparenden Herstellung von Elektroden für eine Nie dertemperatur-Brennstoffzelle beschrieben. Hierbei wird eine das Katalysatormaterial aufweisende Mischung auf einen Träger aufgebracht. Der Träger wird während des Aufbringens von einer Strahlung durchdrungen. Die sich während des Auftragens ändernde Absorption der Strah lung wird registriert und steuert die weitere Auftra gung der Mischung.In the German patent application with the official Ak ten marks 198 12 498.8-45 is a procedure for mate rial-saving production of electrodes for a never the temperature fuel cell described. Here will a mixture comprising the catalyst material applied a carrier. The carrier will during the Application penetrated by radiation. Which changing absorption of the beam during application lung is registered and controls the further order mixture.

In dem amerikanischen Patent US 52 11 984 wird ein Ver fahren zur materialsparenden Herstellung von Elektroden für eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle beschrieben. Hierbei wird eine Membran durch Tonenaustausch in ka tionische Form überführt, eine Pt enthaltene Suspension in dünner Schicht direkt auf die Membran aufgetragen, und nach einer Temperaturbehandlung zurück in die pro tonische Form konvertiert. Ausgehend von dieser Schicht wird in dem nachfolgenden amerikanischen Patent US PS 52 34 777 die Herstellung einer leistungsfähigen Mem bran-Elektroden-Einheit mit minimaler Katalysatorbele gung von weniger als 0,35 mg Pt/cm² beschrieben, wobei die durch den Ionenaustausch erfolgte erhöhte Ther moplastizität benutzt wird.In the American patent US 52 11 984, a method for the material-saving production of electrodes for a low-temperature fuel cell is described. Here, a membrane is converted into cationic form by exchange of clays, a Pt-containing suspension is applied directly to the membrane in a thin layer, and converted back into the pro tonic form after a temperature treatment. Starting from this layer, the production of a powerful membrane electrode unit with minimal catalyst coverage of less than 0.35 mg Pt / cm ^{2 is} described in the following American patent US Pat. No. 5,234,777, the increased ther plasticity is used.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine weitere preiswerte Brennstoffzellen-Elektrode zu schaffen, die eine sehr gute Aktivität für den Brennstoffzellenumsatz aufweist, sowie ein Verfahren bereitzustellen, um eine solche an spruchsgemäße Brennstoffzellen-Elektrode herzustellen. The object of the invention is a further inexpensive To create fuel cell electrode which is a very has good activity for fuel cell sales, as well as to provide a method for such to produce fuel cell electrode according to the claims.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach An spruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Nebenanspruch. Vor teilhafte Ausführungen ergeben sich aus den rückbezoge nen Ansprüchen.The object is achieved by a device according to An award 1 and a method according to the auxiliary claim. Before partial explanations result from the back references claims.

Claim 1

Die anspruchsgemäße Brennstoffzellen-Elektrode weist ein Verbindungselement auf, z. B. eine geeignet struktu rierte bipolare Platte, in der Betriebsstoffkanäle und Stromleitungsstege vorhanden sind. Die Betriebsstoffka näle verteilen den Betriebsstoff, z. B. Methanol oder Wasserstoff, während über die Stromleitungsstege der Strom der Elektrode zu- bzw. von ihr fortgeleitet wird. Die anspruchsgemäße Brennstoffzellen-Elektrode weist ferner eine poröse Schicht, die an das Verbindungsele ment angrenzt, und Katalysator auf. In der porösen Schicht wird ein Betriebsmittel, ein Brennstoff oder ein Oxidationsmittel, wie z. B. Sauerstoff oder Luft, den jeweils aktiven Bereichen zugeführt, so daß eine elektrochemische Umsetzung stattfinden kann.The sophisticated fuel cell electrode shows a connecting element, e.g. B. a suitable structure bipolar plate, in which the fuel channels and Power line bridges are available. The Betriebsstoffka channels distribute the operating material, e.g. B. methanol or Hydrogen, while over the power line bridges Current is supplied to the electrode or from it. The sophisticated fuel cell electrode shows a porous layer attached to the connecting element ment adjoins, and catalyst on. In the porous Layer becomes a resource, a fuel or an oxidizing agent such as e.g. B. oxygen or air, fed to the respective active areas, so that a electrochemical implementation can take place.

Die Betriebsstoffkanäle können aber beispielsweise auch in der porösen Schicht der Elektrode integriert sein, wobei die Zwischenräume zwischen den Betriebsstoffkanä len die Funktion der Stromleitungsstege übernehmen. Der Katalysator befindet sich in oder auf der porösen Schicht gegenüber dem Verbindungselement. Im Fall der in der porösen Schicht integrierten Brennstoffkanäle befindet er sich in oder auf einer Seite der porösen Schicht. Als geeignete Katalysatoren werden beispiels weise Platin, Palladium oder Platin-Ruthenium-Legierun gen eingesetzt. Die Konzentration des Katalysators bzw. die Menge in bzw. auf der porösen Schicht ist nicht konstant, sondern variiert in Abhängigkeit von der Po sition der Betriebsstoffkanäle und/oder der Stromlei tungsstege. Vorteilhaft sind genau die Bereiche der po rösen Schicht, die den Betriebsstoffkanälen gegenüber liegen, mit einer anderen Konzentration bzw. Menge an Katalysator belegt, als die Bereiche, die den Stromlei tungsstegen gegenüberliegen.The fuel channels can also, for example be integrated in the porous layer of the electrode, the gaps between the fuel channels len take over the function of the power line webs. The catalyst is in or on the porous Layer opposite the connecting element. In the case of fuel channels integrated in the porous layer it is located in or on one side of the porous Layer. Suitable catalysts are, for example wise platinum, palladium or platinum-ruthenium alloy gene used. The concentration of the catalyst or the amount in or on the porous layer is not constant, but varies depending on the buttocks sition of the fuel channels and / or the Stromlei jetties. It is precisely the areas of po that are advantageous red layer facing the fuel channels with a different concentration or amount Catalyst occupies as the areas that the Stromlei opposite to each other.

Es sollen gerade diejenigen Bereiche der Elektrode mit einer nur geringen Menge an Katalysator oder gar nicht belegt werden, die nur eine geringe elektrochemische Umsetzungsrate ausweisen. Durch wenige Versuche kann die geeignete Variation gemäß Anspruch 1 ermittelt wer den.Those areas of the electrode should be included a small amount of catalyst or not at all be documented, which is only a small electrochemical Show implementation rate. With just a few tries the suitable variation according to claim 1 who determined the.

Diese unterschiedliche Belegung mit Katalysator führt während des Brennstoffzellenbetriebs dazu, daß die Elektroden in Abhängigkeit von der eingesetzten Kataly satormenge trotz reduzierten Materialeinsatzes eine gute Aktivität zeigen. Der Katalysator wird nur dort eingesetzt, wo er zur Erhöhung der elektrochemischen Umsetzung wesentlich beiträgt.This different allocation of catalyst leads during fuel cell operation that the Electrodes depending on the catalyst used amount of sensors despite reduced use of materials show good activity. The catalyst is only there used where he used to increase electrochemical Implementation contributes significantly.

Der optimierte Einsatz des Katalysators ergibt eine nur unwesentlich verringerte Umsatzleistung (max. 5%) der gesamten Brennstoffzelle bei deutlicher Einsparung der einzusetzenden Katalysatormenge.The optimized use of the catalyst only results in one marginally reduced sales performance (max. 5%) of entire fuel cell with significant savings in amount of catalyst to be used.

Claim 2

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Brennstoffzel len-Elektrode variiert die Konzentration oder die Menge an Katalysator um wenigstens 20 Gew.-%, insbesondere um 30 Gew.-%. Durch eine solche Variation ist eine verbes serte Ausnutzung des Katalysators sichergestellt, da die Bereiche nur entsprechend ihrer Umsatzraten mit Ka talysator belegt werden.In an advantageous embodiment of the fuel cell len electrode varies the concentration or the amount of catalyst by at least 20% by weight, in particular around 30% by weight. Such a variation makes one better Serte utilization of the catalyst ensured because the areas only according to their turnover rates with Ka Talysator are occupied.

Claim 3

Vorteilhaft ist auch eine Ausführung der Brennstoffzel len-Elektrode, bei der die Konzentration oder die Menge des Katalysators entlang der Ebene Brennstoffka nal/Leitungsstege fluktuierend variiert, und zwar ins besondere periodisch entsprechend der Position der Brennstoffkanäle bzw. der Stromleitungsstege. Peri odisch bedeutet dabei, die Konzentration bzw. die Menge des Katalysators nimmt für entsprechend wiederkehrende Bereiche, z. B. für Bereiche, die den Brennstoffkanälen gegenüberliegen, jeweils gleiche Werte an. Eine solche periodische Belegung ist z. B. eine definierte Konzen tration bzw. Menge an Katalysator (K1) in den Berei chen, die jeweils gegenüber den Brennstoffkanälen lie gen, und eine andere, z. B. geringere Konzentration bzw. Menge an Katalysator (K2) in den Bereichen, die jeweils gegenüber den Stromleitungsstegen liegen. Diese Fluk tuation in der Belegung des Katalysators führt zu einer einheitlichen Belegung mit Katalysator in den Berei chen, die einerseits den Brennstoffkanälen und anderer seits den Stromleitungsstegen gegenüberliegen. Dadurch werden gleiche Umsetzungsraten in den jeweils gleichen Bereichen erreicht.An embodiment of the fuel cell is also advantageous len electrode at which the concentration or the amount of the catalyst along the level of the fuel ka nal / line webs fluctuating fluctuates, namely in special periodically according to the position of the Fuel channels or the power line bridges. Peri Odic means the concentration or the amount the catalyst takes for recurring accordingly Areas, e.g. B. for areas that the fuel channels opposite, each with the same values. Such periodic occupancy is e.g. B. a defined concentration tration or amount of catalyst (K1) in the area chen, each lying opposite the fuel channels gen, and another, e.g. B. lower concentration or Amount of catalyst (K2) in the areas, each opposite the power line bridges. This flood tuation in the assignment of the catalyst leads to a uniform allocation with catalyst in the area chen, on the one hand the fuel channels and others on the side opposite the power line bridges. Thereby same conversion rates in the same Areas reached.

Claim 4

In einer vorteilhaften Ausführung der Brennstoffzellen- Elektrode bildet der aufgebrachte Katalysator allein, oder eine Mischung, die den Katalysator enthält, eine Schicht (Katalysatorschicht) auf der porösen Schicht der Elektrode. Diese Form der Katalysatorbelegung er möglicht es, besonders einfach die anspruchsgemäßen Konzentrations- bzw. Mengenunterschiede an Katalysator durch verschiedene Schichtdicken der Katalysatorschicht zu erzielen. Unterschiedliche Schichtdicken lassen sich z. B. durch Verwendung von Masken bei der Aufbringung des Katalysatormaterials erreichen. Eine weitere Mög lichkeit ist es, zunächst eine gleichförmige Katalysa torschicht aufzubringen und anschließend bestimmte Be reiche aus dieser Schicht zu entfernen.In an advantageous embodiment of the fuel cell The applied catalyst is the only electrode or a mixture containing the catalyst, a Layer (catalyst layer) on the porous layer the electrode. This form of catalyst coverage he makes it possible, particularly simply, the demanding ones Differences in concentration or quantity of catalyst due to different layer thicknesses of the catalyst layer to achieve. Different layer thicknesses can be e.g. B. by using masks when applying of the catalyst material. Another possibility The first step is a uniform catalytic converter to apply gate layer and then certain Be remove rich from this layer.

Claim 5

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der anspruchsgemäßen Brennstoffzellen-Elektrode weist in den Bereichen der porösen Schicht, die den Betriebsstoffkanälen gegen überliegen, eine geringere Konzentration an Katalysator auf als in den Bereichen, die den Stromkanälen gegen überliegen. Diese Ausgestaltung wird in einer Brenn stoffzelle vorteilhaft in den Fällen eingesetzt, in denen während des Betriebs die Diffusion des Brenngases hoch ist.An advantageous embodiment of the claims Fuel cell electrode points in the areas of porous layer that opposes the fuel channels lie, a lower concentration of catalyst on than in the areas that oppose the power channels overlap. This configuration is in a focal fabric cell advantageously used in cases where diffusion of the fuel gas during operation is high.

Unter Diffusion des Brenngases ist der Stofftransport des Brenngases aus den Brennstoffkanälen in die poröse Schicht hinein zu verstehen. Eine hohe Diffusion liegt vor, wenn die Verteilung des elektrochemisch aktiven Stoffes innerhalb der porösen Schicht der Elektrode um weniger als 20% zwischen den Bereichen unter den Be triebsstoffkanälen und den Bereichen unter den Lei tungsstegen während des Brennstoffzellenbetriebs vari iert.The mass transport is under diffusion of the fuel gas of the fuel gas from the fuel channels into the porous Layer to understand. There is a high diffusion before when the distribution of the electrochemically active Material within the porous layer of the electrode less than 20% between areas under loading fuel channels and the areas under the Lei webs during fuel cell operation vari iert.

Im Fall eines schichtförmig aufgebrachten Katalysators können beispielsweise jeweils die Bereiche an Katalysa tormaterial, die den Betriebsstoffkanälen gegenüberlie gen, abgetragen werden.In the case of a layered catalyst can, for example, the areas of catalysis door material that faces the fuel channels gene, be removed.

Es hat sich gezeigt, daß eine solche Ausgestaltung der Elektrode, bei der wesentliche Teile der Elektrode nicht oder nur gering mit Katalysator belegt sind, nur unwesentlich verringerte Umsatzraten während des Brenn stoffzellenbetriebs aufweist. Dieser Effekt tritt so wohl bei hoher als auch bei niedriger Leitfähigkeit der porösen Schicht auf, ist also von dieser unabhängig. It has been shown that such an embodiment of the Electrode, at the essential parts of the electrode are not or only slightly covered with catalyst, only marginally reduced sales rates during the burn has cell operation. This effect occurs this way probably with high as well as with low conductivity porous layer, is therefore independent of this.

Claim 6

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der anspruchs gemäßen Brennstoffzellen-Elektrode weist in den Berei chen der porösen Schicht, die den Betriebsstoffkanälen gegenüberliegen, eine höhere Konzentration an Katalysa tor auf als in den Bereichen, die den Stromkanälen ge genüberliegen. Diese Ausgestaltung ist besonders bei niedrigen Diffusionsraten des Brenngases in der porösen Schicht während des Brennstoffzellenbetriebs vorteil haft. Eine niedrige Diffusion liegt vor, wenn die Ver teilung des elektrochemisch aktiven Stoffes innerhalb der porösen Schicht der Elektrode um mehr als 50% zwi schen den Bereichen unter den Betriebsstoffkanälen und den Bereichen unter den Leitungsstegen während des Brennstoffzellenbetriebs variiert.Another advantageous embodiment of the claims according fuel cell electrode points in the area chen of the porous layer that the fuel channels opposite, a higher concentration of catalysis gate than in the areas that ge the power channels opposite. This configuration is particularly useful for low diffusion rates of the fuel gas in the porous Layer advantageous during fuel cell operation arrested. A low diffusion exists when the ver division of the electrochemically active substance within the porous layer of the electrode by more than 50% between between the areas under the fuel channels and the areas under the landings during the Fuel cell operation varies.

Im Fall eines schichtförmig aufgebrachten Katalysators können beispielsweise jeweils die Bereiche an Katalysa tormaterial, die den Stromleitungsstegen gegenüberlie gen, abgetragen werden.In the case of a layered catalyst can, for example, the areas of catalysis door material that was opposite the power line bridges gene, be removed.

Im Fall von niedrigen Diffusionsraten des Brenngases findet die chemische Umsetzung im wesentlichen in den Bereichen statt, die den Betriebsstoffkanälen gegen überliegen. Daher kann auf Katalysatormaterial, welches sich gegenüber den Stromleitungsstegen befindet, ver zichtet werden, da es nicht zur Erhöhung der Zellei stung beiträgt.In the case of low diffusion rates of the fuel gas the chemical conversion takes place essentially in the Areas taking place against the fuel channels overlap. Therefore, catalyst material, which is located opposite the power line bridges, ver to be waived as it does not increase celli contributes.

Insgesamt ist es geboten, die geeignete Variation im jeweiligen Einzelfall durch Versuche zu ermitteln, da die Einflüsse der jeweils vorliegenden Randbedingungen sehr vielfältig sein können.Overall, it is necessary to find the appropriate variation in the to determine the individual case by experiment, since the influences of the respective boundary conditions can be very diverse.

Claim 7

Bei weiteren vorteilhaften Verfahren zur Herstellung der anspruchsgemäßen Brennstoffzellen-Elektrode wird zum einen zunächst Katalysator in einheitlicher Konzen tration bzw. Menge aufgebracht und anschließend ganz oder teilweise aus definierten Bereichen wieder ent fernt. Durch dieses nachträgliche Entfernen kann ge zielt Katalysator in den Bereichen eingespart werden, die eine nur geringe Umsatzrate aufweisen. Der ent fernte Katalysator kann weiter verwendet werden. Alter nativ wird der Katalysator fluktuierend aufgebracht, z. B. mit Hilfe einer Maske, so daß nur gerade soviel Katalysatormaterial verwendet wird, wie zur Belegung erforderlich ist.In further advantageous production methods the sophisticated fuel cell electrode firstly, catalyst in uniform concentrations tration or quantity applied and then completely or partly from defined areas distant. This subsequent removal can ge aims to save catalyst in the areas that have a low turnover rate. The ent removed catalyst can continue to be used. Dude the catalyst is applied in a fluctuating manner, e.g. B. with the help of a mask, so that only just as much Catalyst material is used as for occupancy is required.

In beiden Fällen wird die Umsatzrate der anspruchsge mäßen Brennstoffzellen-Elektrode bezogen auf die einge setzte Katalysatormenge verbessert.In both cases, the sales rate of the demanding according to the fuel cell electrode set amount of catalyst improved.

Die Erfindung wird anhand von vier Figuren näher ver deutlicht. Dabei zeigenThe invention is illustrated by four figures clearly. Show

Fig. 1 Konturlinien der elektrochemischen Umsetzungs rate in [mA/cm³] in der katalytischen Schicht einer Kathode in einer Direkt-Methanol-Brenn stoffzelle (DMFC),
elektrochemischer Prozeß: 3/2 O₂ + 6e^- + 6H⁺ → 3H₂O,
niedrige Leitfähigkeit der porösen Schicht = 0,53 Ω^-1 cm^-1,
mittlere Stromdichte = 0,4 A/cm². Fig. 1 contour lines of the electrochemical conversion rate in [mA / cm ^3] in the catalyst layer of a cathode in a direct methanol fuel cell fuel cells (DMFC),
electrochemical process: 3/2 O ₂ + 6e ^- + 6H ⁺ → 3H ₂ O,
low conductivity of the porous layer = 0.53 Ω ^-1 cm ^-1 ,
average current density = 0.4 A / cm ² .

Fig. 2 Konturlinien der elektrochemischen Umsetzungs rate in [mA/cm³] in der katalytischen Schicht einer Kathode in einer DMFC bei konstanter Ka talysatorkonzentration (100% Pt) und bei Ent fernung des Katalysators aus dem Bereich gegen über des Betriebsstoffkanals (0,05 < y < 0,15 cm) (50% Pt),
elektrochemischer Prozeß: 3/2 O₂ + 6e^- + 6H⁺ → 3H₂O,
hohe Leitfähigkeit der porösen Schicht = 40 Ω^-1 cm^-1,
mittlere Stromdichte = 0,4 A/cm². Fig. 2 contour lines of the electrochemical conversion rate in [mA / cm ³ ] in the catalytic layer of a cathode in a DMFC at a constant catalyst concentration (100% Pt) and when the catalyst is removed from the area relative to the fuel channel (0.05 <y <0.15 cm) (50% Pt),
electrochemical process: 3/2 O ₂ + 6e ^- + 6H ⁺ → 3H ₂ O,
high conductivity of the porous layer = 40 Ω ^-1 cm ^-1 ,
average current density = 0.4 A / cm ² .

Fig. 3 Modelle zur Verringerung der einzusetzenden Ka talysatormenge bei anspruchsgemäßen optimierten Brennstoffzellen-Elektroden. Fig. 3 models for reducing the amount of catalyst to be used in the case of sophisticated optimized fuel cell electrodes.

Fig. 4 Vergleich der Abhängigkeiten der kathodischen Überspannung von der Stromdichte einer DMFC- Brennstoffzelle bei der Anwendung der 100%-Ka talysatormenge gegenüber 50% der Katalysator menge auf der kathodischen Seite der Zelle. Ka talysator wurde entfernt aus den Bereichen, die gegenüber den Betriebsstoffkanälen liegen. Fig. 4 Comparison of the dependencies of the cathodic overvoltage on the current density of a DMFC fuel cell when using the 100% catalyst amount against 50% of the amount of catalyst on the cathodic side of the cell. The catalyst has been removed from the areas opposite the fuel channels.

Es hat sich gezeigt, daß eine Ausgestaltung der Elek trode, bei der wesentliche Teile der Elektrode nicht oder nur gering mit Katalysator belegt sind, nur unwe sentlich verringerte Umsatzraten während des Brenn stoffzellenbetriebs aufweist.It has been shown that an embodiment of the elec trode, in which essential parts of the electrode are not or are only slightly coated with catalyst, only not significantly reduced sales rates during the distillate has cell operation.

Im Fall, daß während des Brennstoffzellenbetriebs das Brenngas eine hohe Diffusionsrate in der porösen Schicht aufweist, tritt dieser Effekt sowohl bei hoher als auch bei niedriger Leitfähigkeit der porösen Schicht auf, wie die Fig. 1 und 2 verdeutlichen. Diese Leitfähigkeit ist im üblichen Sinne definiert als die elektrische Leitfähigkeit eines Festkörpers. Eine hohe Leitfähigkeit im Sinne der Erfindung ist bei Werten < 10 Ω^-1 cm^-1 und eine geringe Leitfähigkeit bei Werten < 1 Ω^-1 cm^-1 gegeben. In the event that the fuel gas has a high diffusion rate in the porous layer during fuel cell operation, this effect occurs with both high and low conductivity of the porous layer, as shown in FIGS. 1 and 2. This conductivity is defined in the usual sense as the electrical conductivity of a solid. A high conductivity in the sense of the invention is given at values <10 Ω ^-1 cm ^-1 and a low conductivity at values <1 Ω ^-1 cm ^-1 .

To Fig. 1

Diese Figur stellt schematisch eine Brennstoffzellen- Elektrode dar, bei der die poröse Schicht eine geringe Leitfähigkeit und eine hohe Diffusivität für das Brenn gas aufweist und bei der die Katalysatorkonzentration konstant ist (100% Pt). Rechts ist ein Verbindungsele ment mit einem Betriebsstoffkanal BK und zwei Stromlei tungsstegen SS eingezeichnet. Daran schließt sich links die poröse Schicht mit einer hohen Leitfähigkeit an. Ganz links befindet sich die Katalysatorschicht (100% Pt). In diese Katalysatorschicht ist ein Konturplot eingetragen, bei dem die Achsen die 2-dimensionale Po sition in der Katalysatorschicht in der Elektrode wie dergeben.This figure schematically represents a fuel cell Electrode in which the porous layer has a small Conductivity and high diffusivity for the firing has gas and at which the catalyst concentration is constant (100% Pt). On the right is a connecting element ment with a BK fuel channel and two power cables sungsstegen SS drawn. This follows on the left the porous layer with a high conductivity. On the far left is the catalyst layer (100% Pt). There is a contour plot in this catalyst layer entered, in which the axes the 2-dimensional Po sition in the catalyst layer in the electrode like give.

In Abhängigkeit von der 2-dimensionalen Position inner halb der katalytischen Schicht sind für die Reaktion 3/2 O₂ + 6e^- + 6H⁺ → 3H₂O bei einer mittleren Strom dichte von 0,4 A/cm² und einer Leitfähigkeit der porö sen Schicht von 0,53 Ω^-1 cm^-1 elektrochemische Umsatzra ten berechnet worden.Depending on the 2-dimensional position within the catalytic layer for the reaction 3/2 O ₂ + 6e ^- + 6H ⁺ → 3H ₂ O at an average current density of 0.4 A / cm ² and a conductivity of the por layer of 0.53 Ω ^-1 cm ^-1 electrochemical turnover rates.

Orte mit gleichem chemischen Umsatz werden im Kontur plot durch Konturlinien verbunden. Je enger die im Ab stand von 100 mA/cm³ eingetragenen Konturlinien beiein ander liegen, desto größer ist die Veränderung in der elektrochemischen Umsatzrate an der jeweiligen Stelle. Die Orte mit hoher elektrochemischer Umsetzungsrate be finden sich im wesentlichen in den Bereichen, die den Stromleitungsstegen SS gegenüberliegen.Locations with the same chemical turnover are connected in the contour plot by contour lines. The closer the contour lines entered at a distance of 100 mA / cm ³ lie to one another, the greater the change in the electrochemical conversion rate at the respective point. The locations with a high electrochemical conversion rate can be found essentially in the areas that lie opposite the power line webs SS.

Daraus wird ersichtlich, daß bei einer porösen Schicht, die eine niedrige Leitfähigkeit und eine hohe Diffusion für das Brenngas aufweist, der Katalysator in dem Be reich gegenüber des Betriebsstoffkanals kaum einen Bei trag zur Zelleistung beisteuert. Eine Entfernung des Katalysators aus diesem Bereich führt zu einer großen Einsparung an Katalysatormaterial, bei nur unwesentlich geringerer Zelleistung.This shows that with a porous layer, which have low conductivity and high diffusion for the fuel gas, the catalyst in the loading rich compared to the fuel channel hardly a case Contribution to cell performance. A removal of the Catalyst from this area leads to a large one Savings in catalyst material, with only insignificant lower cell performance.

To Fig. 2

Analog zu Fig. 1 ist hier ebenfalls eine Brennstoff zellen-Elektrode dargestellt, bei der die poröse Schicht eine hohe Leitfähigkeit und eine hohe Diffusi vität für das Brenngas aufweist. Hierbei sind jedoch zwei unterschiedliche Konturplots eingetragen, die die Verhältnisse unter zwei Bedingungen widerspiegeln. Der linke Konturplot entspricht den Verhältnissen bei einer Katalysatorschicht mit konstanter Konzentration (100% Pt). Die Konturlinien verlaufen gleichförmig na hezu parallel zur porösen Schicht und weisen maximale Umsatzraten von 700 mA/cm³ auf.Analogous to FIG. 1, a fuel cell electrode is also shown here, in which the porous layer has a high conductivity and a high diffusivity for the fuel gas. However, two different contour plots are entered here, which reflect the conditions under two conditions. The left contour plot corresponds to the conditions for a catalyst layer with a constant concentration (100% Pt). The contour lines run uniformly almost parallel to the porous layer and have maximum conversion rates of 700 mA / cm ³ .

Bei dem rechten Konturplot ist der Katalysator im Be reich von 0,05 < y < 0,15 cm für die Berechnungen entfernt worden (50% Pt). Das führt zu einem ungleichmäßigen Verlauf der Konturlinien. Der Bereich, aus dem der Ka talysator (theoretisch) entfernt wurde, weist nur mini male Umsatzraten auf, während sich in den Bereichen, die den Stromleitungsstegen gegenüberliegen, deutlich erhöhte Umsatzraten bis zu 1700 mA/cm³ zeigen. Die Steigerung der Umsatzrate in diesen Bereichen überwiegt die Verringerung des Umsatzes in den von Katalysator befreiten Bereichen deutlich. (siehe auch Fig. 4)In the right contour plot, the catalyst in the range of 0.05 <y <0.15 cm was removed for the calculations (50% Pt). This leads to an uneven course of the contour lines. The area from which the catalyst was (theoretically) removed has only minimal conversion rates, while significantly higher conversion rates of up to 1700 mA / cm ³ can be seen in the areas opposite the power line bridges. The increase in the sales rate in these areas clearly outweighs the decrease in sales in the areas freed from catalyst. (see also Fig. 4)

To Figs. 3.1 and 3.2

Die Fig. 3.1 und 3.2 zeigen schematisch zwei vor teilhafte Ausführungsformen der anspruchsgemäßen Brenn stoffzellen-Elektrode mit aufgebrachter Membranschicht, bei der Katalysatormaterial jeweils aus den Bereichen entfernt wurde, in denen es nur unwesentlich zur Zel leistung beiträgt. Die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) in der Fig. 3.1 ist vorteilhaft für eine Elek trode, die eine poröse Schicht aufweist, durch die das Reaktionsgas gut diffundieren kann. Hier findet die Um setzung überwiegend in den Bereichen statt, die den Stromleitungsstegen gegenüberliegen, so daß auf Kataly sator in dem Bereich, der dem Betriebsstoffkanal gegen überliegt, verzichtet werden kann. Figs. 3.1 and 3.2 show schematically two prior some embodiments of the claimed internal fuel cells electrode with an applied membrane layer was deposited with the catalyst material in each of the areas removed, in which it contributes only insignificantly to Zel performance. The membrane electrode arrangement (MEA) in FIG. 3.1 is advantageous for an electrode that has a porous layer through which the reaction gas can diffuse well. Here, the implementation takes place predominantly in the areas opposite the power line webs, so that catalytic converter can be dispensed with in the area opposite the fuel channel.

Die poröse Schicht in der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) in der Fig. 3.2 weist eine geringe Diffusivität für das Reaktionsgas auf. Die Umsetzung findet hier überwiegend in dem Bereich statt, der dem Betriebs stoffkanal gegenüberliegt, so daß in diesem Fall auf Katalysator in den Bereichen, die den Stromleitungsste gen gegenüberliegen, verzichtet werden kann.The porous layer in the membrane electrode arrangement (MEA) in FIG. 3.2 has a low diffusivity for the reaction gas. The implementation takes place mainly in the area opposite the operating material channel, so that in this case catalyst in the areas opposite to the Stromleitungsste gene can be dispensed with.

To Fig. 4

Diese Graphik zeigt die Abhängigkeiten der kathodischen Überspannung von der Stromdichte einer DMFC-Brennstoff zelle bei der Anwendung der 100%-Katalysatormenge ge genüber 50% der Katalysatormenge auf der kathodischen Seite der Zelle. Bei der Belegung mit 50% Katalysator menge wurde der Katalysator aus den Bereichen entfernt, die gegenüber den Betriebsstoffkanälen liegen. Die Kur ven stellen die geringfügige Verringerung der Energie ausbeute als Minderung der Zellspannung infolge der Po tentialverluste dar. Die Zellverluste (Potentialverlu ste) liegen bei einer Stromdichte von 0.4 A/cm² deut lich unter 5%.This graph shows the dependencies of the cathodic overvoltage on the current density of a DMFC fuel cell when using the 100% amount of catalyst against 50% of the amount of catalyst on the cathodic side of the cell. When covering with 50% catalyst quantity, the catalyst was removed from the areas that lie opposite the fuel channels. The curves represent the slight reduction in the energy yield as a reduction in the cell voltage as a result of the potential losses. The cell losses (potential losses) are significantly below 5% at a current density of 0.4 A / cm ² .

Claims

1. Fuel cell electrode with fuel channels and power line bars or with a connecting element, which has fuel channels and power line bars, as well as with a porous layer and catalyst, characterized in that the concentration or the amount of the catalyst from the position of the fuel channels and the power line bars depends and varies depending on it.

2. Fuel cell electrode after previous An saying characterized, that the concentration or the amount of the catalyst tors varied by at least 20 wt .-%.

3. Fuel cell electrode according to one of the previous existing claims, characterized, that the concentration or the amount of the catalyst tors along the level of the fuel duct / line webs fluctuating varies, especially periodically ent speaking of the position of the fuel channels and the power line bridges.

4. Fuel cell electrode according to one of the previous existing claims, characterized, that the catalyst forms a layer that varies layer thicknesses and / or interruptions points.

5. Fuel cell electrode according to one of the previous existing claims, characterized, that the porous layer in the area that the Be fuel channels opposite, a lower Ka Talysatorker concentration shows than in the area opposite the power line bridges.

6. Fuel cell electrode according to one of the previous existing claims, characterized, that the porous layer in the area that the Opposing power line webs, a smaller Has catalyst concentration than in the area chen, which are opposite the fuel channels.

7. Process for the production of fuel cell elec treading according to claim 1, characterized, that the catalyst at least partially from Be range from an applied catalyst layer ent is removed or applied fluctuating.