EP1157435A1 - Brennstoffzellen-elektrode - Google Patents

Brennstoffzellen-elektrode

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Publication number
EP1157435A1
EP1157435A1 EP00914047A EP00914047A EP1157435A1 EP 1157435 A1 EP1157435 A1 EP 1157435A1 EP 00914047 A EP00914047 A EP 00914047A EP 00914047 A EP00914047 A EP 00914047A EP 1157435 A1 EP1157435 A1 EP 1157435A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
catalyst
fuel
fuel cell
areas
power line
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00914047A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andrey Kulikovsky
Jiri Divisek
Alexey Kornyshev
Hans-Friedrich Oetjen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP1157435A1 publication Critical patent/EP1157435A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a 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.
  • the invention further relates to a method for producing a fuel cell electrode as claimed and to the use of the fuel cell electrode as claimed in the generation of energy by electrochemical conversion of a fuel in a fuel cell.
  • a fuel cell has an anode, an electrolyte and a cathode.
  • the cathode becomes an oxidizing agent, e.g. Air and the anode becomes a fuel, e.g. B. hydrogen or methanol.
  • the cathode and anode of a fuel cell generally have a continuous porosity so that the two operating materials, the oxidizing agent and the fuel, can be supplied to the active areas of the electrodes.
  • Platinum or a platinum / ruthenium alloy is preferably used as the anode material. Platinum serves as the preferred material as the cathode.
  • the anode and cathode material can be integrated into the membrane electrode assembly (MEA) by a method as described in DE PS 4241150.
  • a catalytic converter coating with precious metals, which causes complete fuel consumption, is disadvantageously very expensive.
  • the fuel conversion is incomplete. This leads, as for example with the methanol Fuel cell, disadvantageous for the diffusion of the unreacted fuel to the cathode, where there is an inhibition of the cathode reaction.
  • German patent application with the official file number 198 12 498.8-45 describes a method for the material-saving production of electrodes for a low-temperature fuel cell.
  • a mixture comprising the catalyst material is applied to a support.
  • the carrier is penetrated by radiation during the application.
  • the absorption of the radiation which changes during the application is registered and controls the further application of the mixture.
  • the American patent US 52 11 984 describes a method for the material-saving production of electrodes for a low-temperature fuel cell.
  • a membrane is converted into cationic form by ion exchange, a suspension containing Pt is applied in a thin layer directly to the membrane, and converted back to the protonic form after a temperature treatment.
  • the following American patent US Pat. No. 5,234,777 describes the production of a powerful membrane electrode unit with a minimal catalyst coverage of less than 0.35 mg Pt / cm 2 , the increased thermoplasticity resulting from the ion exchange is used.
  • the object of the invention is a further inexpensive
  • the fuel cell electrode according to the invention has a connecting element, e.g. a suitably structured bipolar plate in which there are fuel channels and power line bridges.
  • the fuel channels distribute the fuel, e.g. Methanol or hydrogen, while the current is conducted to or from the electrode via the current conducting webs.
  • the fuel cell electrode according to the claims also has a porous layer, which adjoins the connecting element, and a catalyst. In the porous layer, an operating medium, a fuel or an oxidizing agent, such as e.g. Oxygen or air, the respective active areas supplied so that an electrochemical reaction can take place.
  • the fuel channels can, for example, also be integrated in the porous layer of the electrode, with the spaces between the fuel channels taking over the function of the power line webs.
  • the catalyst is located in or on the porous layer opposite the connecting element. In the case of the fuel channels integrated in the porous layer, it is located in or on one side of the porous layer. Platinum, palladium or platinum-ruthenium alloys, for example, are used as suitable catalysts.
  • the concentration of the catalyst or the amount in or on the porous layer is not constant, but varies depending on the position of the operating material channels and / or the power line webs. It is precisely the areas of the positive layer that faces the fuel channels with a different concentration or amount of catalyst than the areas that face the power line webs.
  • This different coating with catalyst means that during fuel line operation the electrodes, depending on the amount of catalyst used, show good activity despite the reduced use of material.
  • the catalyst is only used where it makes a significant contribution to increasing the electrochemical conversion.
  • the optimized use of the catalytic converter results in an insignificantly reduced sales performance (max. 5%) of the entire fuel cell with a significant saving in the amount of catalyst to be used.
  • the concentration or the amount of catalyst varies by at least 20% by weight, in particular by 30% by weight. Such a variation ensures improved utilization of the catalyst, since the areas are only covered with catalyst according to their conversion rates.
  • An embodiment of the fuel cell electrode in which the concentration or the amount is advantageous is also advantageous of the catalyst fluctuatingly fluctuates along the level of the fuel channel / line webs, in particular periodically according to the position of the fuel channels or the power line webs.
  • Periodically means that the concentration or the amount of the catalyst assumes the same values for correspondingly recurring areas, for example for areas that lie opposite the fuel channels.
  • Such a periodic assignment is, for example, a defined concentration or amount of catalyst (K1) in the areas that are opposite the fuel channels, and another, for example lower concentration or amount of catalyst (K2) in the areas that are each opposite the power line bridges.
  • the applied catalyst alone, or a mixture containing the catalyst forms a layer (catalyst layer) on the porous layer of the electrode.
  • This form of catalyst coverage makes it possible to achieve the claimed concentration or quantity differences in catalyst particularly easily by means of different layer thicknesses of the catalyst layer. Different layer thicknesses can be achieved, for example, by using masks when applying the catalyst material. Another option is to first create a uniform catalytic converter Apply gate layer and then remove certain areas from this layer.
  • An advantageous embodiment of the fuel cell electrode according to the invention has a lower concentration of catalyst in the areas of the porous layer that lie opposite the fuel channels than in the areas that lie opposite the flow channels.
  • This configuration is advantageously used in a fuel cell in cases where the diffusion of the fuel gas is high during operation. Diffusion of the fuel gas is understood to mean the mass transport of the fuel gas from the fuel channels into the porous layer.
  • a high degree of diffusion occurs when the distribution of the electrochemically active substance within the porous layer of the electrode varies by less than 20% between the areas under the fuel channels and the areas under the landings during fuel line operation.
  • the areas of catalyst material that lie opposite the fuel channels can be removed.
  • a further advantageous embodiment of the fuel cell electrode according to the claims has a higher concentration of catalyst in the areas of the porous layer that lie opposite the fuel channels than in the areas that lie opposite the flow channels.
  • This configuration is particularly advantageous in the case of low diffusion rates of the fuel gas in the porous layer during fuel cell operation.
  • a low diffusion occurs when the distribution of the electrochemically active substance within the porous layer of the electrode varies by more than 50% between the areas under the fuel channels and the areas under the landings during fuel line operation.
  • the areas of catalyst material that lie opposite the current conduction webs can be removed.
  • the chemical conversion essentially takes place in the areas opposite the fuel channels. Therefore, catalyst material which is located opposite the power line webs can be warped because it does not contribute to increasing the cell output.
  • a catalyst in a uniform concentration tration or amount applied and then completely or partially removed from defined areas is applied and then completely or partially removed from defined areas. This subsequent removal can specifically save catalyst in the areas which have only a low conversion rate.
  • the removed catalyst can continue to be used.
  • the catalyst is applied in a fluctuating manner, for example with the aid of a mask, so that only as much catalyst material is used as is required for the coating.
  • the conversion rate of the fuel cell electrode according to the claims is improved based on the amount of catalyst used.
  • the invention is illustrated by four figures. Shown
  • Fig. 3 models for reducing the amount of catalyst to be used with sophisticated optimized fuel cell electrodes.
  • FIG. 4 Comparison of the dependencies of the cathodic overvoltage on the current density of a DMFC fuel cell when using the 100% catalyst quantity versus 50% of the catalyst quantity on the cathodic side of the cell. Catalyst was removed from the areas opposite the fuel channels.
  • a high conductivity in the sense of the invention is
  • This figure schematically represents a fuel cell electrode in which the porous layer has a low conductivity and a high diffusivity for the fuel gas and in which the catalyst concentration is constant (100% Pt).
  • the porous layer On the right is a connecting element with a fuel channel BK and two power line webs SS. This is followed on the left by the porous layer with a high conductivity.
  • the catalyst layer On the far left is the catalyst layer (100% Pt).
  • a contour plot is entered in this catalyst layer, in which the axes represent the 2-dimensional position in the catalyst layer in the electrode.
  • 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.
  • 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 .
  • FIGS. 3a and 3b schematically show two advantageous embodiments of the fuel cell electrode according to the invention with an applied membrane layer, in which catalyst material has in each case been removed from the areas in which it makes only an insignificant contribution to cell performance.
  • the membrane electrode arrangement (MEA) in FIG. 3a is advantageous for an electronic trode, which has a porous layer through which the reaction gas can diffuse well.
  • the implementation takes place predominantly in the areas opposite the power line webs, so that there is no need for a catalyst in the area opposite the fuel channel.
  • the porous layer in the membrane electrode arrangement (MEA) in FIG. 3b has a low diffusivity for the reaction gas.
  • the implementation takes place predominantly in the area opposite the fuel channel, so that in this case there is no need for a catalyst in the areas opposite the power line webs.
  • This graph shows the dependencies of the cathodic overvoltage on the current density of a DMFC fuel cell when using the 100% catalyst quantity versus 50% of the catalyst quantity on the cathodic side of the cell.
  • 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 clearly below 5% at a current density of 0.4 A / cm 2 .

Abstract

Die Erfindung betrifft eine neue Methode der Kostenreduktion für die Elektroden der Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen, auch der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle, die darauf basiert, daß der Katalysator für die elektrochemische reaktion entweder teilweise oder vollständig aus der katalytisch aktiven Schicht entfernt wird: aus den unter den Betriebsstoffkanälen liegenden Bereichen im Falle des guten Brennstoff- bzw. Oxidationsmittel-Transports durch die Diffusionsschicht, aus den unter den Stromleitungsstegen liegenden Bereichen im Falle des schlechten Brennstoff- bzw. Oxidationsmittel-Transports durch die Diffusionsschicht.

Description

B e s c h r e i b u n g
Brennstoff zellen-Elektrode
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 anspruchsgemäßen Brennstoffzellen-Elektrode sowie die Verwendung der anspruchsgemäßen Brennstoffzellen-Elektrode bei der Energieerzeugung durch elektrochemische Umsetzung eines Brennstoffs in einer Brennstoffzelle.
Eine Brennstoffzelle weist eine Anode, einen Elektrolyten 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 Betriebsstoffe, 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 Kathodenmaterial kann nach einem Verfahren, wie es in DE PS 4241150 beschrieben wird, in die Membran-Elektroden-An- Ordnung (MEA) integriert werden.
Eine Katalysatorbelegung mit Edelmetallen, die einen vollständigen Brennstoffverbrauch bewirkt, ist nachteilig sehr teuer. Andererseits kommt es bei einer gerin- gen Katalysatorbelegung nur zu unvollständigem Brennstoffumsatz. Dies führt, wie z.B. bei der Methanol- Brennstoffzelle, nachteilig zur Diffusion des nicht umgesetzten Brennstoffs zur Kathode, wo es zur Hemmung der Kathodenreaktion kommt.
In der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 198 12 498.8-45 wird ein Verfahren zur materialsparenden Herstellung von Elektroden für eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle beschrieben. Hierbei wird eine das Katalysatormaterial aufweisende Mischung auf einen Trager aufgebracht. Der Trager wird wahrend des Aufbringens von einer Strahlung durchdrungen. Die sich wahrend des Auftragens ändernde Absorption der Strahlung wird registriert und steuert die weitere Auftragung der Mischung.
In dem amerikanischen Patent US 52 11 984 wird ein Verfahren zur materialsparenden Herstellung von Elektroden für eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle beschrieben. Hierbei wird eine Membran durch Ionenaustausch in ka- tionische Form überfuhrt, eine Pt enthaltene Suspension in dunner Schicht direkt auf die Membran aufgetragen, und nach einer Temperaturbehandlung zurück in die protonische Form konvertiert. Ausgehend von dieser Schicht wird in dem nachfolgenden amerikanischen Patent US PS 52 34 777 die Herstellung einer leistungsfähigen Membran-Elektroden-Einheit mit minimaler Katalysatorbelegung von weniger als 0,35 mg Pt/cm2 beschrieben, wobei die durch den Ionenaustausch erfolgte erhöhte Ther- moplastizitat benutzt wird.
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. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den rückbezogenen Ansprüchen.
Anspruch 1
Die anspruchsgemäße Brennstoffzellen-Elektrode weist ein Verbindungselement auf, z.B. eine geeignet strukturierte bipolare Platte, in der Betriebsstoffkanäle und Stromleitungsstege vorhanden sind. Die Betriebsstoffkanäle 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 Verbindungselement 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.
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-Legierungen eingesetzt. Die Konzentration des Katalysators bzw. die Menge in bzw. auf der porösen Schicht ist nicht konstant, sondern variiert in Abhängigkeit von der Position der Betriebsstoffkanäle und/oder der Stromlei- tungsstege. Vorteilhaft sind genau die Bereiche der po- rösen Schicht, die den Betriebsstoffkanälen gegenüberliegen, mit einer anderen Konzentration bzw. Menge an Katalysator belegt, als die Bereiche, die den Stromleitungsstegen gegenüberliegen.
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 werden.
Diese unterschiedliche Belegung mit Katalysator führt während des BrennstoffZeilenbetriebs 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. Der optimierte Einsatz des Katalysators ergibt eine nur unwesentlich verringerte Umsatzleistung (max. 5 %) der gesamten Brennstoffzelle bei deutlicher Einsparung der einzusetzenden Katalysatormenge.
Anspruch 2 In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Brennstoffzellen-Elektrode variiert die Konzentration oder die Menge an Katalysator um wenigstens 20 Gew.-%, insbesondere um 30 Gew.-%. Durch eine solche Variation ist eine verbesserte Ausnutzung des Katalysators sichergestellt, da die Bereiche nur entsprechend ihrer Umsatzraten mit Katalysator belegt werden.
Anspruch 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 insbesondere 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 (Kl) in den Bereichen, die jeweils gegenüber den Brennstoffkanälen liegen, 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 Bereichen, die einerseits den Brennstoffkanälen und andererseits den Stromleitungsstegen gegenüberliegen. Dadurch werden gleiche Umsetzungsraten in den jeweils gleichen Bereichen erreicht.
Anspruch 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 ermöglicht 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 Möglichkeit ist es, zunächst eine gleichförmige Katalysa- torschicht aufzubringen und anschließend bestimmte Bereiche aus dieser Schicht zu entfernen.
Anspruch 5 Eine vorteilhafte Ausgestaltung der anspruchsgemäßen Brennstoffzellen-Elektrode weist in den Bereichen der porösen Schicht, die den Betriebsstoffkanälen gegenüberliegen, eine geringere Konzentration an Katalysator auf als in den Bereichen, die den Stromkanälen gegen- überliegen. Diese Ausgestaltung wird in einer Brennstoffzelle vorteilhaft in den Fällen eingesetzt, in denen während des Betriebs die Diffusion des Brenngases hoch ist. 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 Leitungsstegen während des BrennstoffZeilenbetriebs variiert .
Im Fall eines schichtförmig aufgebrachten Katalysators können beispielsweise jeweils die Bereiche an Katalysa- tormaterial, die den Betriebsstoffkanälen gegenüberliegen, abgetragen werden.
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 Brennstoffzellenbetriebs aufweist. Dieser Effekt tritt sowohl bei hoher als auch bei niedriger Leitfähigkeit der porösen Schicht auf, ist also von dieser unabhängig. Anspruch 6
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der anspruchsgemäßen Brennstoffzellen-Elektrode weist in den Bereichen der porösen Schicht, die den Betriebsstoffkanälen gegenüberliegen, eine höhere Konzentration an Katalysator auf als in den Bereichen, die den Stromkanälen gegenüberliegen. 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 Verteilung des elektrochemisch aktiven Stoffes innerhalb der porösen Schicht der Elektrode um mehr als 50% zwischen den Bereichen unter den Betriebsstoffkanälen und den Bereichen unter den Leitungsstegen während des BrennstoffZeilenbetriebs variiert.
Im Fall eines schichtförmig aufgebrachten Katalysators können beispielsweise jeweils die Bereiche an Katalysatormaterial, die den Stromleitungsstegen gegenüberliegen, abgetragen werden. Im Fall von niedrigen Diffusionsraten des Brenngases findet die chemische Umsetzung im wesentlichen in den Bereichen statt, die den Betriebsstoffkanälen gegenüberliegen. Daher kann auf Katalysatormaterial, welches sich gegenüber den Stromleitungsstegen befindet, ver- ziehtet werden, da es nicht zur Erhöhung der Zellei- stung beiträgt.
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.
Anspruch 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 entfernt. Durch dieses nachträgliche Entfernen kann gezielt Katalysator in den Bereichen eingespart werden, die eine nur geringe Umsatzrate aufweisen. Der entfernte Katalysator kann weiter verwendet werden. Alternativ 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 beiden Fällen wird die Umsatzrate der anspruchsgemäßen Brennstoffzellen-Elektrode bezogen auf die eingesetzte Katalysatormenge verbessert.
Die Erfindung wird anhand von vier Figuren näher verdeutlicht. Dabei zeigen
Fig. 1 Konturlinien der elektrochemischen Umsetzungsrate in [mA/cm3] in der katalytischen Schicht einer Kathode in einer Direkt-Methanol-Brenn- stoffzelle (DMFC) , elektrochemischer Prozeß: 3/2 02 + 6e~ + 6H+ -> 3H20, niedrige Leitfähigkeit der porösen Schicht = 0,53 Ω"1 cm"1, mittlere Stromdichte = 0,4 A/cm2.
Fig. 2 Konturlinien der elektrochemischen Umsetzungsrate in [mA/cm3] in der katalytischen Schicht einer Kathode in einer DMFC bei konstanter Katalysatorkonzentration (100 % Pt) und bei Entfernung des Katalysators aus dem Bereich gegenüber des Betriebsstoffkanals (0,05<y<0,15 cm) (50 % Pt) , elektrochemischer Prozeß: 3/2 02 + 6e~ + 6H+ ->
3H20, hohe Leitfähigkeit der porösen Schicht
= 40 Ω"1 cm-1, mittlere Stromdichte = 0,4 A/cm2.
Fig. 3 Modelle zur Verringerung der einzusetzenden Katalysatormenge bei anspruchsgemäßen optimierten Brennstoffzellen-Elektroden.
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. Katalysator wurde entfernt aus den Bereichen, die gegenüber den Betriebsstoffkanälen liegen.
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 unwesentlich verringerte Umsatzraten während des Brennstoffzellenbetriebs aufweist.
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 Figuren 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. Zu Figur 1
Diese Figur stellt schematisch eine Brennstoffzellen- Elektrode dar, bei der die poröse Schicht eine geringe Leitfähigkeit und eine hohe Diffusivitat für das Brenn- gas aufweist und bei der die Katalysatorkonzentration konstant ist (100 % Pt) . Rechts ist ein Verbindungselement mit einem Betriebsstoffkanal BK und zwei Stromleitungsstegen 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 Position in der Katalysatorschicht in der Elektrode wiedergeben. In Abhängigkeit von der 2-dimensionalen Position innerhalb der katalytischen Schicht sind für die Reaktion 3/2 02 + βe" + 6H+ -> 3H20 bei einer mittleren Stromdichte von 0,4 A/cm2 und einer Leitfähigkeit der porösen Schicht von 0,53 Ω_1 cm" elektrochemische Umsatzra- ten berechnet worden.
Orte mit gleichem chemischen Umsatz werden im Konturplot durch Konturlinien verbunden. Je enger die im Abstand von 100 mA/cm3 eingetragenen Konturlinien beieinander liegen, desto größer ist die Veränderung in der elektrochemischen Umsatzrate an der jeweiligen Stelle. Die Orte mit hoher elektrochemischer Umsetzungsrate befinden sich im wesentlichen in den Bereichen, die den Stromleitungsstegen SS gegenüberliegen. Daraus wird ersichtlich, daß bei einer porösen Schicht, die eine niedrige Leitfähigkeit und eine hohe Diffusion für das Brenngas aufweist, der Katalysator in dem Bereich gegenüber des Betriebsstoffkanals kaum einen Beitrag zur Zelleistung beisteuert. Eine Entfernung des Katalysators aus diesem Bereich fuhrt zu einer großen Einsparung an Katalysatormaterial, bei nur unwesentlich geringerer Zelleistung.
Zu Figur 2 Analog zu Figur 1 ist hier ebenfalls eine Brennstoffzellen-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 nahezu parallel zur porösen Schicht und weisen maximale Umsatzraten von 700 mA/cm3 auf.
Bei dem rechten Konturplot ist der Katalysator im Bereich 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 minimale 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)
Zu den Figuren 3a und 3b
Die Figuren 3a und 3b zeigen schematisch zwei vor- teilhafte Ausführungsformen der anspruchsgemäßen Brennstoffzellen-Elektrode mit aufgebrachter Membranschicht, bei der Katalysatormaterial jeweils aus den Bereichen entfernt wurde, in denen es nur unwesentlich zur Zelleistung beiträgt. Die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) in der Figur 3a ist vorteilhaft für eine Elek- trode, die eine poröse Schicht aufweist, durch die das Reaktionsgas gut diffundieren kann. Hier findet die Umsetzung überwiegend in den Bereichen statt, die den Stromleitungsstegen gegenüberliegen, so daß auf Kataly- sator in dem Bereich, der dem Betriebsstoffkanal gegenüberliegt, verzichtet werden kann.
Die poröse Schicht in der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) in der Figur 3b weist eine geringe Diffusivität für das Reaktionsgas auf. Die Umsetzung findet hier überwiegend in dem Bereich statt, der dem Betriebsstoffkanal gegenüberliegt, so daß in diesem Fall auf Katalysator in den Bereichen, die den Stromleitungsstegen gegenüberliegen, verzichtet werden kann.
Zu Figur 4
Diese Graphik zeigt die Abhängigkeiten der kathodischen Überspannung von der Stromdichte einer DMFC-Brennstoff- zelle bei der Anwendung der 100%-Katalysatormenge gegenüber 50% der Katalysatormenge auf der kathodischen Seite der Zelle. Bei der Belegung mit 50% Katalysatormenge wurde der Katalysator aus den Bereichen entfernt, die gegenüber den Betriebsstoffkanälen liegen. Die Kurven stellen die geringfügige Verringerung der Energieausbeute als Minderung der Zellspannung infolge der Po- tentialverluste dar. Die Zellverluste (Potentialverluste) liegen bei einer Stromdichte von 0.4 A/cm2 deutlich unter 5 %.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Brennstoffzellen-Elektrode mit Betriebsstoffkanälen und Stromleitungsstegen oder mit einem Verbindungselement, welches Betriebsstoffkanäle und Stromlei- tungsstege aufweist, sowie mit einer porösen Schicht und Katalysator, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration oder die Menge des Katalysators von der Position der Betriebsstoffkanäle und der Stromleitungsstege abhängt und in Abhängigkeit hiervon variiert.
2. Brennstoffzellen-Elektrode nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration oder die Menge des Katalysators um mindestens 20 Gew.-% variiert.
3. Brennstoffzellen-Elektrode nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration oder die Menge des Katalysators entlang der Ebene Brennstoffkanal/Leitungsstege fluktuierend variiert, insbesondere periodisch ent- sprechend der Position der Betriebsstoffkanäle und der Stromleitungsstege.
4. Brennstoffzellen-Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator eine Schicht bildet, die variierende Schichtdicken und/oder Unterbrechungen aufweist .
5. Brennstoffzellen-Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Schicht in dem Bereich, der den Be- triebsstoffkanälen gegenüberliegt, ein geringere Katalysatorkonzentration aufweist als in den Bereichen, die den Stromleitungsstegen gegen berliegen.
6. Brennstoffzellen-Elektrode nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Schicht in dem Bereich, der den Stromleitungsstegen gegenüberliegt, eine geringere Katalysatorkonzentration aufweist als in den Berei- chen, die den Betriebsstoffkanälen gegenüberliegen.
7. Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellen-Elektroden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator mindestens teilweise aus Bereichen einer aufgebrachten Katalysatorschicht entfernt wird oder fluktuierend aufgebracht wird.
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