WO2013004365A1

WO2013004365A1 - Membran-elektroden-einheit mit wasseraustauschbereichn für eine brennstoffzelle

Info

Publication number: WO2013004365A1
Application number: PCT/EP2012/002755
Authority: WO
Inventors: Nils Brandau; Sven Schmitz; Mathias PURMANN
Original assignee: Volkswagen Aktiengesellschaft
Priority date: 2011-07-02
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2013-01-10
Also published as: WO2013004365A9; DE102012011441A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, die eine Protonenaustauschmembran (11) aufweist, die auf der einen Seite eine aktive Fläche (12) zur Ausbildung einer Anode und auf der anderen Seite eine aktive Fläche (12) zur Ausbildung einer Kathode besitzt, wobei die aktiven Flächen (12) jeweils von einer nicht aktiven Fläche (15) umgeben sind. Es ist vorgesehen, dass die nicht aktiven Flächen (15) anodenseitig und kathodenseitig mit einem Subgasket stabilisiert sind, wobei jeweils zumindest ein Bereich (17) der nicht aktiven Flächen (15) zur Ausbildung zumindest einer Befeuchtungsfläche (18) ohne Subgasket verbleibt oder mit einem perforierten oder durchbrochenen Subgasket versehen ist, wobei die zumindest eine Befeuchtungsfläche (18) eine Größe von 1 bis 15 % der Gesamtfläche der Membran-Elektroden-Einheit aufweist und wobei die die zumindest eine Befeuchtungsfläche (18) ausbildenden, nicht aktiven Bereiche (17) zumindest abschnittsweise deckungsgleich sind. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzellenanordnung sowie ein Kraftfahrzeug, welches eine Brennstoffzellenanordnung aufweist.

Description

Beschreibung

MEMBRAN-ELEKTRODEN-EINHEIT MIT WASSERAUSTAUSCHBEREICHN

FÜR EINE BRENNSTOFFZELLE

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, die eine Protonenaustauschmembran aufweist, die auf der einen Seite eine aktive Fläche zur

Ausbildung einer Anode und auf der anderen Seite eine aktive Fläche zur Ausbildung einer Kathode besitzt, wobei die aktiven Flächen jeweils von einer nicht aktiven Fläche umgeben sind, eine Brennstoffzellenanordnung sowie ein Kraftfahrzeug.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA, membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Gasdiffusionselektrode (GDE, gas diffusion electrode) als Anode und Kathode ist. Daneben sind auch Brennstoffzellentypen bekannt, die statt einer Membran einen

Flüssigelektrolyten aufweisen. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (Stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran beziehungsweise den Elektrolyten, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von 0₂ zu 0₂ ^" unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.

Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie beispielsweise für

Traktionsanwendungen zum Antrieb von Kraftfahrzeugen basiert auf

BESTÄTIGUNGSKOPIE Polymerelektrolytmembranen (PEM) als Protonenaustauschmembranen. Für das

Funktionsprinzip der PEM-Brennstoffzelle ist die Protonenleitfähigkeit der

Polymerelektrolytmembranen essentiell. Die Polymerelektrolytmembranen bestehen meist aus einem perfluorierten Polymergrundgerüst mit Seitenketten, die in Sulfonsäuregruppen (-S0₃H) enden. Bei Wasseraufnahme der Polymerelektrolytmembran werden die Protonen der

Sulfonsäuregruppen abgetrennt. Auf Grund der Polarität von Wasser bildet sich eine

Hydrathülle um die Protonen (Hydratisierung), wodurch diese frei beweglich werden. Die

Wasseraufnahme der Polymerelektrolytmembranen führt außerdem zu einer Quellung, was die

Erhöhung der Mikroporosität zur Folge hat und damit ebenfalls die Protonenleitfähigkeit steigert.

Da der Protonentransport auf der Dissoziation und Hydratisierung durch Wasser basiert und durch Quellung weiter gesteigert wird, ist die ionische Leitfähigkeit σ entscheidend vom

Wassergehalt γ der Polymerelektrolytmembranen abhängig, der als Wassermolmenge n_H^₀ pro

Sulfonsäuregruppenmolmenge n_SOjH definiert wird:

"SO3H

Der Wassergehalt der Polymerelektrolytmembran wird wesentlich durch die Feuchte der zugeführten Gase beeinflusst. Sind die zugeführten Gase zu trocken, wird Wasser aus der Polymerelektrolytmembran ausgetragen und die Protonenleitfähigkeit nimmt ab.

Der Einfluss der Gasfeuchte auf die Leitfähigkeit lässt sich an handelsüblichen Membranen beispielsweise von der Firma DuPont mit dem Handelsnämen Nafion® oder von der Firma Gore mit dem Handelsnamen Gore Select® nachweisen.

Beide vorgenannte Protonenaustauschmembrantypen basieren auf dem oben beschriebenen Prinzip, die Gore Select® Protonenaustauschmembranen sind allerdings auf Grund der höheren mechanischen Festigkeit, die durch die Verwendung eines PTFE-Grundgerüstes (ePTFE, engl.: expanded PTFE) erreicht wird, wesentlich dünner.

Bei diesen Protonenaustauschmembranen nimmt die Leitfähigkeit zwar mit steigender relativer Feuchte der zugeführten Gase und dementsprechend steigendem Wassergehalt der

Protonenaustauschmembran exponentiell zu, jedoch wirkt sich auch zu viel Feuchte negativ auf das Betriebsverhalten und die produzierte elektrische Leistung der Brennstoffzelle aus. Wird zu viel Feuchte zugeführt oder kann an der Kathode entstehendes Produktwasser nicht

ausreichend abgeführt werden, verstopft sowohl flüssiges Wasser als auch gasförmiges

Wasser die sehr kleinen Poren in der Gasverteilungsschicht (GDL, gas diffusion layer) und den Elektroden innerhalb der Brennstoffzelle. Hierdurch wird der Transport von Reaktionsgasen an die aktive Fläche behindert und die Zelle an den entsprechenden Stellen unterversorgt. Bei sehr hohen Feuchten kann auskondensiertes Wasser außerdem komplette Gasverteilungskanäle im Flussfeld verstopfen und somit, je nach Struktur des Flussfeldes, sehr große Zellbereiche gänzlich von der Gaszufuhr trennen. Entsprechend der Abnahme der versorgten aktiven Zellfläche nimmt die Leistungsdichte der Zelle ab.

Ein Wasserüberschuss ist in der Regel ein kathodenseitig auftretendes Problem, da hier das Produktwasser gebildet wird. In den meisten Brennstoffzellensystemen steigt die

Betriebstemperatur mit der Stromstärke an. Die gebildete Produktwassermenge nimmt linear mit der Stromstärke zu. Da sowohl produzierte Wassermasse wie auch Betriebstemperatur und Druck einen großen Einfluss auf den Feuchtebedarf der Brennstoffzelle haben, muss eine optimale Befeuchtung der Brennstoffzelle gewährleistet sein. Großen Einfluss haben außerdem das MEA- und GDL-Material, dessen Struktur und Zusammensetzung, sowie die Gaszufuhr: Die GDL verbindet die Elektrode mit dem Stromabnehmer einer Brennstoffzelle

beziehungsweise mit den Bipolarplatten eines Brennstoffzellenstacks. Bei der Gaszufuhr bestimmen vor allem die Stöchiometrie und damit die zugeführte Gasmenge, sowie der

Druckverlust über einen Gaszufuhrkanal, der wesentlich vom Flussfelddesign abhängt, wie gut eventuell auskondensierte Wassertropfen aus der Brennstoffzelle ausgetragen werden können. Ein ausgeglichener Wasserhaushalt mit hoher Membranfeuchte, bei der jedoch kein flüssiges Wasser anfällt und die Gaszufuhr behindert, ist für einen stabilen und effizienten

Brennstoffzellenbetrieb bei langer Zelllebensdauer essentiell.

Um eine Optimierung der Feuchte der Protonenaustauschmembranen zu erlangen, sind dem Stand der Technik eine Vielzahl von technischen Entwicklungen zu entnehmen, beispielsweise ist es aus der DE 10 2007 008 214 A1 bekannt, eine Befeuchtung für Brennstoffzellen bereitzustellen, indem eine Wassertransporteinheit über einen Fluidkanal Wasser aus einen feuchtigkeitsreichen Strömungspfad in einen anderen Bereich der Brennstoffzelle transportiert, der Wasser benötigt. Ferner sind die vorbekannten Druckschriften DE 10 2008 016 093 A1 , DE 10 2009 017 906 A1 und DE 10 2010 033 525 A1 einschlägig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Membran-Elektroden-Einheit beziehungsweise eine Brennstoffzellenanordnung zu schaffen, die eine optimierte Befeuchtung mit einem geringen konstruktiven Aufwand ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.

Die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit (MEA) für eine PEM-Brennstoffzelle weist eine Protonenaustauschmembran auf, die beidseitig eine aktive Fläche besitzt, die auf einer Seite der Protonenaustauschmembran eine Anode und auf der anderen Seite eine Kathode ausbilden. An den Elektroden finden die für Brennstoffzellen unter Zufuhr von Wasserstoff (anodenseitig) und Sauerstoff (kathodenseitig), typischen Reaktionen statt.

Die Materialien, die für die Protonenaustauschmembran und die Ausbildung der

Elektrodenschicht auf der Protonenaustauschmembran zum Einsatz kommen, sind dem

Fachmann bekannt.

Die aktive Fläche auf der Anodenseite beziehungsweise auf der Kathodenseite ist jeweils von einer nicht aktiven Fläche umgeben, wobei die nicht aktiven Flächen anodenseitig und kathodenseitig mit einem Subgasket stabilisiert sind.

Dabei verbleibt erfindungsgemäß zumindest ein Bereich der nicht aktiven Flächen zur

Ausbildung zumindest einer Befeuchtungsfläche ohne stabilisierendes Subgasket. Alternativ kann dieser Bereich mit einem perforierten oder durchbrochenen Subgasket versehen sein. Beide Alternativen können auch miteinander kombiniert sein, um die Befeuchtung zu steuern.

Das perforierte oder durchbrochene Subgasket kann mit dem übrigen Subgasket einstückig ausgebildet sein, um beispielsweise mittels eines Lasers oder durch mechanisches Stanzen perforiert worden zu sein. Es ist jedoch auch möglich, dass das perforierte oder durchbrochene Subgasket nicht mit dem übrigen Subgasket verbunden ist. Die Perforationen oder Durchbrüche im Subgasket weisen bevorzugt jeweils einen Öffnungsdurchmesser von weniger als 1

Millimeter auf.

Die anoden- und kathodenseitigen Flächen ohne Subgasket sind zumindest abschnittsweise deckungsgleich angeordnet, so dass sich die zumindest eine Befeuchtungsfläche ergibt, durch die problemlos Feuchtigkeit von einer Seite der Protonenaustauschmembran zur anderen transportiert werden kann. Vorteilhafterweise kann über diese Befeuchtungsfläche in einfacher Weise ein Ausgleich der Feuchtigkeit zwischen Anoden- und Kathodenraum sichergestellt werden. Die zumindest eine Befeuchtungsfläche besitzt vorzugsweise eine Größe von 1 bis 15 % der Gesamtfläche der Membran-Elektroden-Einheit, besonders bevorzugt sind 4 bis 6 %, wobei 5% am bevorzugtesten ist, um eine optimale Befeuchtung zu gewährleisten.

Dies entspricht bei üblicherweise verwendeten Membran-Elektroden-Einheiten einer Fläche von 1 bis 20 cm².

Vorzugsweise besitzt dabei die zumindest eine Befeuchtungsfläche in Strömungsrichtung eine Länge von mindestens 1 mm.

Subgaskets an sich gehören zum Stand der Technik und werden beispielsweise in der

EP 1807893 A1 beschrieben. Ein Subgasket dient zur mechanischen Stabilisierung der

Protonenaustauschmembran, da diese üblicherweise nur eine Dicke im pm-Bereich aufweist, um möglichst geringe Ausmaße eines Brennstoffzellenstacks zu ermöglichen.

Als Subgasket können beispielsweise Folien aus Polyethylenterephthalat verwendet werden, die sich insbesondere durch eine sehr geringe Wasseraufnahme auszeichnen und somit formstabil sind. Zudem sind derartige Folien chemisch und thermisch stabil, so dass deren Funktion während der Standzeit der Membran-Elektroden-Einheit gewährleistet ist.

Es ist auch möglich, Monomere oder Oligomere durch geeignete Verfahren, wie beispielsweise Sprühen unter Verwendung von Masken, Tintenstrahldrucken oder sonstigen

Beschichtungsverfahren auf die entsprechenden Bereiche der Protonenaustauschmembran aufzubringen und anschließend zu polymerisieren. Dies kann in Abhängigkeit von den verwendeten Monomeren oder Oligomeren beispielsweise durch Hitze, Licht oder Feuchtigkeit erfolgen. Geeignet sind grundsätzlich alle Polymere, die chemisch und thermisch stabil sind sowie nur eine geringe Neigung zur Wasseraufnahme zeigen. Dies sind beispielsweise entsprechende Polyurethane, Polyacrylate oder Polymethacrylate. Die jeweils geeigneten Polymere beziehungsweise Monomere oder Oligomere sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt. Die in-situ hergestellten Subgaskets sind gegenüber denen aus Folie einfacher herzustellen und reduzieren die Gefahr von Beschädigungen der

Protonenaustauschmembran beim Aufbringen des Subgaskets.

Subgaskets stellen einen Widerstand hinsichtlich der Wasserpermeation dar, wie auch die aktive Fläche, d.h. die Elektrodenschicht auf der Protonenaustauschmembran. Vorzugsweise grenzen die Befeuchtungsflächen direkt an die aktiven Flächen. Es ist auch möglich, diese nicht direkt an die aktiven Flächen angrenzend zu platzieren, es ist jedoch wesentlich, dass die ausgebildete Befeuchtungsfläche oder Befeuchtungsflächen vom Anoden- und Kathodengasstrom überstrichen werden können.

Zur Steuerung des Transports der Feuchtigkeit wird die Befeuchtungsfläche im Bereich einer Öffnung für die Einleitung eines Anodengasstroms beziehungsweise im Bereich einer Öffnung zur Ableitung eines Kathodengasstroms angeordnet oder im Bereich einer Öffnung für die Einleitung eines Kathodengasstroms beziehungsweise im Bereich einer Öffnung zur Ableitung eines Anodengasstroms angeordnet.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Membran-Elektroden-Einheit mit zumindest einer Befeuchtungsfläche ist dementsprechend für den Betrieb mit Reaktionsgasen im

Gegenstromprinzip ausgelegt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Membran-Elektroden-Einheit weist die Membran- Elektroden-Einheit zwei Befeuchtungsflächen auf, die an gegenüberliegenden Seiten der aktiven Flächen angeordnet sind, so dass im Bereich einer jeden Öffnung zur Ein- oder Ableitung eines Gasstroms ein Feuchteaustausch zwischen Anoden- und Kathodengas stattfinden kann. Durch das Gegenstromprinzip der Reaktionsgase wird somit jeder Gasstrom am Anfang und am Ende der Reaktionsstrecke jeweils über eine Befeuchtungsfläche geführt.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform entspricht die zumindest eine

Befeuchtungsfläche in ihrer Breite der Breite der aktiven Fläche, so das der Anodenbeziehungsweise Kathodengasstrom vollständig über die zumindest eine Befeuchtungsfläche geführt wird, wodurch vorteilhafterweise eine optimale Befeuchtung mit einem sehr geringen konstruktiven Aufwand ermöglicht wird.

Die zumindest eine Befeuchtungsfläche ist vorzugsweise rechteckig ausgeformt, jedoch sind in Abhängigkeit der sonstigen Parameter der Brennstoffzelle auch andere Geometrien möglich.

Mit solch einem Aufbau und entsprechender Einstellung der aktiven Fläche in Relation zu der oder den internen Befeuchtungsflächen, d. h. bei entsprechender Dimensionierung der verschiedenen Flächen kann die für die jeweilige Brennstoffzelle optimale Befeuchtung leicht eingestellt werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Membran-Elektroden-Einheit ist die zumindest eine Befeuchtungsfläche auf beiden oder auf einer Seite der Protonenaustauschmembran mit einem Vlies bedeckt.

Dieses Vlies kann durch Einstellung seiner Parameter, beispielsweise Porosität, hydrophile oder hydrophobe Eigenschaften, Wasserspeicherfähigkeit und dergleichen, vorteilhafterweise für einen definierten Feuchteaustausch zwischen Kathode und Anode konditioniert werden, wobei das jeweilige Vlies für die Anoden- oder Kathodenseite unterschiedlich beschaffen sein kann. Als Vlies kommen grundsätzlich die Materialien in Frage, die dem Fachmann auch für die Gas-Diffusionsschicht (GDL, Gas Diffusion Layer) bekannt sind. Wesentlich für deren Eignung sind Temperaturbeständigkeit und Permeationsvermögen. Bevorzugt werden Kohlenstoffvliese, vorzugsweise mit stumpfen Fasern, deren Hydrophilie und/oder Hydrophobie durch geeignete, dem Fachmann bekannte Mittel angepasst sein kann.

Dieses Vlies kann in etwa die Dicke der ebenfalls üblicherweise in einer Brennstoffzelle vorhandenen Gas-Diffusionsschicht (GDL, Gas Diffusion Layer) aufweisen. Diese dient als diffusiver Abstandhalter zwischen Gaszufuhrkanälen und ist elektrisch leitend ausgeführt. Die GDL hat meist eine bestimmte Dicke, welche einem Mehrfachen der Membran selbst entsprechen kann.

Das Vlies weist im Vergleich zur GDL jedoch diffusivere Eigenschaften für Wasser (flüssig oder gasförmig) auf. Weiterhin kann das Vlies in Abhängigkeit von der Anwendung hydrophobe oder auch hydrophile Eigenschaften aufzeigen.

Kathodenseitig wird die GDL meist so ausgelegt, dass das entstehende Produktwasser von der Protonenaustauschmembran weggeführt wird. Das Vlies am Kathodenaustritt hingegen ist vorteilhafterweise derart ausgelegt, dass das kathodenseitige Wasser zur

Protonenaustauschmembran geleitet wird.

Im Besonderen liegt der Schwerpunkt der Befeuchtung auf der Anodenseite, da hier eine gute Befeuchtung notwendig ist, um die Protonenleitung der Protonenaustauschmembran zu unterstützen. Die optimale Leistung einer Brennstoffzelle wird meist erzielt, wenn Anode und Kathode jeweils befeuchtet werden. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der üblicherweise anodenseitig eingesetzte Wasserabscheider direkt am Gasaustritt eines Brennstoffzellenstacks gegebenenfalls entfallen kann. Dieser Wasserabscheider dient dazu, auskondensiertes Wasser in Tropfenform aufzufangen.

Vorteilhafterweise wird zudem durch die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit der Wirkungsgrad gesteigert und es kann eine kathodenseitige, externe Befeuchtung verringert oder ggf. gänzlich auf diese verzichtet werden.

Erfindungsgemäß wird auch ein Brennstoffzellensystem, das die vorbeschriebene Membran- Elektroden-Einheit aufweist, beansprucht. Die Ausführungen hinsichtlich der

erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit gelten daher entsprechend für das

Brennstoffzellensystem.

Ein optimaler Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit zumindest einer Brennstoffzelle, insbesondere einer PEM Brennstoffzelle kann erreicht werden, wenn die kathoden- sowie die anodenseitigen Gasströme befeuchtet werden. Daher kann die interne Befeuchtung der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit auch eine Ergänzung zu bereits existierenden kathodenseitigen Befeuchtungsanwendungen, wie beispielsweise einem Membranbefeuchter oder einem Hohlfasermodul darstellen.

Die erfindungsgemäßen Brennstoffzellensysteme weisen neben sonstigen üblichen

Einrichtungen eine Kathodengaszufuhr sowie eine Anodengaszufuhr auf, die derart angeordnet sind, dass das Kathodengas und das Anodengas die Elektroden nach dem Gegenstromprinzip überstreichen.

Der Vorteil einer solch kombinierten Befeuchtung liegt neben der Wirkungsgradsteigerung auch in einer volumetrischen Reduzierung eines externen Befeuchters sowie in einer Reduzierung des - vom einem Luftverdichter zu überwindenden - Druckabfalls über den externen Befeuchter, als Folge der volumetrischen Reduzierung.

Beansprucht wird zudem ein Kraftfahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem mit der

erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit besitzt.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 in einer anodenseitigen Aufsicht eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) nach dem Stand der Technik,

Figur 2 in einer kathodenseitigen Aufsicht die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) nach Figur 1 ,

Figur 3 in einer geschnittenen Seitenansicht die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) nach Figur 1 und 2,

Figur 4 in einer in einer geschnittenen Seitenansicht die Membran-Elektroden-Einheit

(MEA) nach Figur 1 und 2 mit einer Darstellung des Wassergehaltes des Kathodengases über die Länge der Membran-Elektroden-Einheit,

Figur 5 in einer anodenseitigen Aufsicht eine erfindungsgemäße Membran-

Elektroden-Einheit (MEA) nach einer zweiten Ausführungsform,

Figur 6 in einer kathodenseitigen Aufsicht die erfindungsgemäße Membran-

Elektroden-Einheit (MEA) nach Figur 5,

Figur 7 in einer geschnittenen Seitenansicht die erfindungsgemäße Membran-

Elektroden-Einheit (MEA) nach Figur 5 und 6,

Figur 8 in einer anodenseitigen Aufsicht eine erfindungsgemäße Membran-

Elektroden-Einheit (MEA) nach einer anderen Ausführungsform,

Figur 9 in einer kathodenseitigen Aufsicht die erfindungsgemäße Membran- Elektroden-Einheit (MEA) nach Figur 8,

Figur 10 in einer geschnittenen Seitenansicht die erfindungsgemäße Membran-

Elektroden-Einheit (MEA) nach Figur 8 und 9, Figur 11 in einer geschnittenen Seitenansicht die erfindungsgemäße Membran- Elektroden-Einheit (MEA) nach Figur 5 und 6 mit einer Darstellung des Wassergehaltes des Anoden- und Kathodengases über die Länge der Membran-Elektroden.

Figur 12 in einer anodenseitigen Aufsicht eine erfindungsgemäße Membran- Elektroden-Einheit (MEA) nach einer dritten Ausführungsform,

Figur 13 in einer kathodenseitigen Aufsicht die erfindungsgemäße Membran- Elektroden-Einheit (MEA) nach Figur 12,

Figur 14 in einer geschnittenen Seitenansicht die erfindungsgemäße Membran- Elektroden-Einheit (MEA) nach Figur 12 und 13.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine Membran-Elektroden-Einheit 10 (MEA) gemäß dem Stand der Technik für eine hier nicht dargestellte PEM-Brennstoffzelle, die über eine

Protonenaustauschmembran 11 verfügt, die beidseitig eine aktive Fläche 12 besitzt, wobei die in Figur 1 gezeigte Seite der Protonenaustauschmembran 11 die Anode und die andere Seite der Protonenaustauschmembran 11 gemäß Figur 2 die Kathode ausbildet. Der Schnitt für die in Fig. 3 dargestellten Seitenansicht der Membran-Elektroden-Einheit 10 ist in den Figuren 1 und 2 durch das Bezugszeichen 13 gekennzeichnet. Auf beiden Seiten der aktiven Fläche 12 sind schematisch Öffnungen 14 für die Zu- und Abführung von Kathodengas 0₂ und Anodengas H₂ sowie für ein Kühlmittel gezeigt. Das Kathodengas 0₂ und das Anodengas H₂ werden von entgegengesetzten Seiten nach dem Gegenstromprinzip kathodenseitig beziehungsweise anodenseitig über die aktive Fläche 12 geführt. Die nicht aktive Fläche 15, die die aktive Fläche 12 umgibt, ist beidseitig mit einer Folie 16 (Subgasket) mechanisch stabilisiert.

In Figur 4 ist die Membran-Elektroden-Einheit 10 gemäß dem Stand der Technik in Relation zum Wassergehalt γ des Kathodengases 0₂ in Abhängigkeit von der Länge I der Membran- Elektroden-Einheit 10 gezeigt. Während des Betriebes der Brennstoffzelle strömt ein nicht aktiv befeuchtetes und sauerstoffreiches Kathodengas 0₂, beispielsweise Luft kathodenseitig an der Membran-Elektroden-Einheit 10 vorbei. Am Anfang, d.h. bevor die Luft die aktive Fläche 12 überströmt, weist das Kathodengas 0₂ eine geringe Feuchte auf. Anschließend strömt das Kathodengas 0₂ über die aktiven Fläche 12, wobei während der brennstoffzellentypischen Reaktion auf der Kathodenseite Produktwasser entsteht, das vom Kathodengas 0₂ anteilig aufgenommen wird. Der Wassergehalt γ kann bis zur Sättigung ansteigen. Ist das Kathodengas 0₂ über die aktive Fläche 2 geströmt, weist dieses daher einen höheren Wassergehalt γ auf als am Anfang der aktiven Fläche 12. Die Folie 16 am Anfang und am Ende der aktiven Fläche 12 stellt einen Widerstand zur Wasserpermeation dar, so dass die nicht aktive Fläche 15 die Wasserpermeation deutlich hemmt.

Die Figuren 5 bis 7 zeigen eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit 10, die sich gegenüber der bekannten Membran-Elektroden-Einheit 10 dadurch unterscheidet, dass die aktive Fläche 12 für Anode und Kathode in beziehungsweise entgegen der Richtung von dem Kathodengas 0₂ und dem Anodengas H₂ an einen Bereich 17 der Protonenaustauschmembran' 1 1 grenzt, der frei von einer Folie 16 zur Stabilisierung ist. Dieser Bereich 17 ist anodenseitig und kathodenseitig deckungsgleich positioniert und bildet insgesamt jeweils eine

Befeuchtungsfläche 18 aus. Die Befeuchtungsfläche 18 eine weist eine Länge X1

beziehungsweise Y1 und eine Breite von X2 beziehungsweise Y2 auf. Abgesehen von dem Bereich 17 beziehungsweise der Befeuchtungsfläche 18 ist die nicht aktive Fläche 15 wiederum mit einer Folie 16 zur Stabilisierung versehen.

Die Figuren 8 bis 10 zeigen eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit 10 nach einer zweiten Ausführungsform, die sich gegenüber der in den Figuren 5 bis 7 dargestellten

Membran-Elektroden-Einheit 10 dadurch unterscheidet, das der Bereich 7 beziehungsweise die Befeuchtungsfläche der Protonenaustauschmembran ebenfalls mit einer Folie 16a bedeckt ist, die perforiert ist, so dass ein Durchtritt von Feuchtigkeit möglich ist. Ansonsten entsprechen die Bezugszeichen denen der Figuren 5 bis 7.

Wie in Figur 1 1 , die sich auf die Ausführungsform gemäß den Figuren 5-7 bezieht, ersichtlich, bei der der Wassergehalt γ des Kathodengases 0₂ und des Anodengases H₂ über die Länge I der Membran-Elektroden-Einheit 10 aufgetragen ist, erfolgt über die Befeuchtungsflächen 18 ein Wasseraustausch, da das feuchte Kathodengas 0₂ die aktive Fläche 12 örtlich dort verlässt, wo das trockene Anodengas H₂ in die aktive Fläche 12 eintritt. Dementsprechend kann ein Feuchteaustausch erfolgen, so dass Kathodengas 0₂ und Anodengas H₂ optimal befeuchtet sind.

In den Figuren 12 bis 14 wird eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Membran- Elektroden-Einheit 10 dargestellt, die sich von der ersten Ausführungsform der Membran- Elektroden-Einheit 10 gemäß den Figuren 5 bis 7 dadurch unterscheidet, dass die freien Bereiche 17 beziehungsweise die Befeuchtungsflächen 18 anodenseitig und kathodenseitig mit einem Vlies 19 bedeckt sind, das für die die Befeuchtungsflächen 18 die erforderliche mechanische Stabilität sicherstellt und gleichzeitig die Permeation von Feuchtigkeit in der gewünschten Richtung unterstützt. Dieses Vlies 19 kann in etwa der Dicke einer hier nicht dargestellten Gas-Diffusionsschicht (GDL) entsprechen.

Bezugszeichenliste

10 Membran-Elektroden-Einheit

11 Protonenaustauschmembran

12 aktive Fläche

13 Bezugszeichen für Schnitt

14 Öffnung

15 nicht aktive Fläche

16 Folie / Subgasket

17 freier Bereich

18 Befeuchtungsfläche

19 Vlies

1 Länge

0₂ Kathodengas

H₂ Anodengas

γ Wassergehalt

X1 , Y1 Länge

X2, Y2 Breite

Claims

Patentansprüche

1. Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, die eine Protonenaustauschmembran (11 ) aufweist, die auf der einen Seite eine aktive Fläche (12) zur Ausbildung einer Anode und auf der anderen Seite eine aktive Fläche (12) zur Ausbildung einer Kathode besitzt, wobei die aktiven Flächen (12) jeweils von einer nicht aktiven Fläche (15) umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht aktiven Flächen (15) anodenseitig und kathodenseitig mit einem Subgasket stabilisiert sind, wobei jeweils zumindest ein Bereich

(17) der nicht aktiven Flächen (15) zur Ausbildung zumindest einer Befeuchtungsfläche

(18) ohne Subgasket verbleibt oder mit einem perforierten oder durchbrochenen Subgasket versehen ist, wobei die zumindest eine Befeuchtungsfläche (18) eine Größe von 1 bis 15 % der Gesamtfläche der Membran-Elektroden-Einheit aufweist und wobei die die zumindest eine Befeuchtungsfläche (18) ausbildenden, nicht aktiven Bereiche (17) zumindest abschnittsweise deckungsgleich sind.

2. Membran-Elektroden-Einheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die

Befeuchtungsfläche (18) im Bereich einer Öffnung (14) für die Einleitung eines

Anodengasstroms beziehungsweise im Bereich einer Öffnung (14) zur Ableitung eines Kathodengasstroms angeordnet oder im Bereich einer Öffnung (14) für die Einleitung eines Kathodengasstroms beziehungsweise im Bereich einer Öffnung (14) zur Ableitung eines Anodengasstroms angeordnet ist.

3. Membran-Elektroden-Einheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die

Membran-Elektroden-Einheit (10) zwei Befeuchtungsflächen (18) aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten der aktiven Flächen (12) angeordnet sind.

4. Membran-Elektroden-Einheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine

Anodengasstroms beziehungsweise im Bereich einer Öffnung (14) zur Ableitung eines Kathodengasstroms angeordnet ist und eine zweite Befeuchtungsfläche (18) im Bereich einer Öffnung (14) für die Einleitung eines Kathodengasstroms beziehungsweise im

Bereich einer Öffnung (14) zur Ableitung eines Anodengasstroms angeordnet ist.

5. Membran-Elektroden-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch

gekennzeichnet, dass die zumindest eine Befeuchtungsfläche (18) in ihrer Breite (X2, Y2) der Breite der aktiven Flächen (12) entspricht.

6. Membran-Elektroden-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch

gekennzeichnet, dass die zumindest eine Befeuchtungsfläche (18) anodenseitig und/oder kathodenseitig mit einem Vlies (19) bedeckt ist.

7. Membran-Elektroden-Einheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Vlies (19) anodenseitig und kathodenseitig unterschiedliche Eigenschaften, die das

Permeationsvermögen betreffen, aufweist.

8. Membran-Elektroden-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch

gekennzeichnet, dass die zumindest eine Befeuchtungsfläche eine Größe von 4 bis 6 %, vorzugsweise 5% der Gesamtfläche der Membran-Elektroden-Einheit aufweist.

9. Brennstoffzellenanordnung mit mindestens einer Brennstoffzelle, eine Membran- Elektroden-Einheit (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweisend. ^'

10. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die

Brennstoffzellenanordnupg eine zweite, externe Befeuchtungseinrichtung aufweist.

11. Kraftfahrzeug, eine Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 10 aufweisend.