DE19908591B4

DE19908591B4 - Fuel cell electrode

Info

Publication number: DE19908591B4
Application number: DE19908591A
Authority: DE
Inventors: Andrei Kulikovsky; Jiri Dr. Divisek; Alexi Prof. 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: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2019-02-28
Also published as: WO2000052775A1; EP1157435A1; DE19908591A1

Abstract

Brennstoffzellen-Elektrode mit Betriebskanälen und Stromstegen oder mit einem Verbindungselement, welches Betriebskanäle und Stromstege aufweist, sowie mit einer porösen Schicht und Katalysator, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration oder die Menge des Katalysators
– mit der Position der Betriebskanäle und der Stromstege variiert, und
– von der Diffusivität der porösen Schicht für das Brenngas abhängt.Fuel cell electrode with operating channels and power bars or with a connecting element which has operating channels and power bars, as well as with a porous layer and catalyst, characterized in that the concentration or the amount of the catalyst
- varies with the position of the operating channels and the piers, and
- depends on the diffusivity of the porous layer for the fuel gas.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellen-Elektrode mit Betriebsstoffkanälen und Stromleitungsstegen oder mit einem Verbindungselement, welches Betriebsstoffkanäle 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.The invention relates to a fuel cell electrode with fuel channels and power line webs or with a connecting element, which Fuel channels and has power line webs, and with a porous layer and catalyst. The invention further relates to a method for manufacturing a sophisticated fuel cell electrode and the use of the sophisticated fuel cell electrode in energy generation through electrochemical implementation of a Fuel in a fuel cell.

Eine Brennstoffzelle weist eine Anode, einen Elektrolyten und eine Kathode auf. Der Kathode wird ein Oxidationsmittel, 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 können. 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-Anordnung (MEA) integriert werden.A fuel cell has an anode, an electrolyte and a cathode. The cathode becomes an oxidizing agent, e.g. B. 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 by a method as described in DE PS 4241150 is described, can be integrated into the membrane electrode assembly (MEA).

Eine Katalysatorbelegung mit Edelmetallen, die einen vollständigen Brennstoffverbrauch bewirkt, ist nachteilig sehr teuer. Andererseits kommt es bei einer geringen 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.A catalyst covering with precious metals a complete The disadvantage of fuel consumption is that it is very expensive. on the other hand With a low catalyst occupancy, the fuel conversion is incomplete. This leads to, such as B. in the methanol fuel cell, disadvantageous to the diffusion of the unreacted fuel to the cathode, where there is inhibition of the cathode reaction.

In der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 198 12 498.8 wird ein Verfahren zur materialsparenden Herstellung von Elektroden für eine Niedertemperatur-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 Strahlung wird registriert und steuert die weitere Auftragung der Mischung.In the German patent application with the official file number 198 12 498.8 a procedure for Material-saving production of electrodes for a low-temperature fuel cell described. Here, the catalyst material Mix on a carrier applied. The carrier will during of application penetrated by radiation. Which during the Order changing Absorption of the radiation is registered and controls the further one Apply the mixture.

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 kationische Form überführt, eine Pt enthaltene Suspension in dünner 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 Thermoplastizität benutzt wird.In the American patent US 52 11 984 describes a method for the material-saving production of electrodes for a low-temperature fuel cell. Here, a membrane is converted into cationic form by ion exchange, a Pt-containing suspension is applied directly to the membrane in a thin layer, and converted back to the protonic form after a temperature treatment. Based on this layer, the following American patent US PS 52 34 777 describes the production of a powerful membrane-electrode assembly with a minimal catalyst coverage of less than 0.35 mg Pt / cm ² , using the increased thermoplasticity that is achieved by the ion exchange.

Ferner ist aus US 4,567,117 eine Brennstoffzelle bekannt, bei der beispielsweise ein Reformierungskatalysator entlang der Strömungsrichtung des Brenngases innerhalb eines Brenngaskanals zunimmt. Dadurch wird die sehr schnelle Reformierungsreaktion am Einlass eines Brenngaskanals aufgrund der dort vorhandenen geringen Katalysatormenge gebremst, während sie zum Auslass hin, durch die dort vorliegende größere Katalysatormenge forciert wird. Auf diese Weise kann insgesamt eine gleichförmigere Stromdichte erzielt werden.Furthermore is off US 4,567,117 a fuel cell is known in which, for example, a reforming catalyst increases along the flow direction of the fuel gas within a fuel gas channel. As a result, the very rapid reforming reaction at the inlet of a fuel gas channel is slowed down due to the small amount of catalyst present there, while being forced towards the outlet by the larger amount of catalyst present there. In this way, a more uniform current density can be achieved overall.

Ein ähnliches Anodensubstrat für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle ist aus DE 195 19 847 C1 bekannt. Zur Verzögerung der Reformierungsreaktion weist daher das Anodensubstrat entlang der Strömungsrichtung des Brenngases Bereiche mit reduzierter Katalysatorkonzentration auf. Diese Bereiche können schichtförmig über dem gesamten Anodensubstrat angeordnet sein, oder auch spezielle Geometrien aufweisen. Eine solche Geometrie ist beispielsweise die Anordnung der Bereiche mit reduzierter Katalysatormenge nur im Bereich der Gaskanäle.A similar anode substrate for a high temperature fuel cell is out DE 195 19 847 C1 known. To delay the reforming reaction, the anode substrate therefore has regions with a reduced catalyst concentration along the flow direction of the fuel gas. These areas can be arranged in layers over the entire anode substrate, or can also have special geometries. Such a geometry is, for example, the arrangement of the areas with a reduced amount of catalyst only in the area of the gas channels.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine weitere preiswerte Brennstoffzellen-Elektrode zu schaffen, die eine sehr gute Aktivität für den Brennstoffzellenumsatz aufweist.The object of the invention is a to create another inexpensive fuel cell electrode that a very good activity for the Has fuel cell sales.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den rückbezogenen Ansprüchen.The task is solved by a device according to claim 1. Advantageous embodiments result from the back-related Claims.

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.The sophisticated fuel cell electrode has a connecting element, e.g. B. a suitably structured bipolar plate, in which fuel channels and power line bridges are present are. The fuel channels distribute the fuel, e.g. B. methanol or hydrogen, while on the Stromleitungsstege the current of the electrode to or from it becomes.

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.The sophisticated fuel cell electrode also has a porous Layer adjoining the connecting element and catalyst. In the porous Layer becomes a resource, a fuel, or an oxidizer, such as B. oxygen or air, the respective active areas supplied, 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 Betriebsstoffkanälen die Funktion der Stromleitungsstege übernehmen.The fuel channels can for example also in the porous one Layer of the electrode may be integrated, the spaces between the fuel channels take over the function of the power line bridges.

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 beispielsweise 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 Stromleitungsstege. Vorteilhaft sind genau die Bereiche der porösen Schicht, die den Betriebsstoffkanälen gegenüberliegen, mit einer anderen Konzentration bzw. Menge an Katalysator belegt, als die Bereiche, die den Stromleitungsstegen gegenüberliegen.The catalyst is in or on the porous Layer opposite the connecting element. In the case of the fuel channels integrated in the porous layer it is in or on one side of the porous layer. As suitable Examples of catalysts are platinum, palladium or platinum-ruthenium alloys used. The concentration of the catalyst or the amount in or on the porous Shift is not constant, but varies depending on from the position of the fuel channels and / or the power line bridges. It is precisely the areas of the porous layer that lie opposite the operating material channels that are advantageous with a different concentration or amount of catalyst, than the areas that face the power line webs.

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.Those areas should be targeted the electrode with only a small amount of catalyst or even are not documented, which only have a low electrochemical conversion rate identify. The suitable variation according to claim can be achieved by a few experiments 1 can be determined.

Diese unterschiedliche Belegung mit Katalysator führt während des Brennstoffzellenbetriebs dazu, daß die Elektroden in Abhängigkeit von der eingesetzten Katalysatormenge 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 with Catalyst leads while of fuel cell operation that the electrodes are dependent of the amount of catalyst used despite the reduced use of materials a good activity demonstrate. The catalyst is only used where it is used to increase the 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 results in an insignificantly reduced sales performance (max. 5%) the entire fuel cell with significant savings in the number of fuel cells to be used Amount of catalyst.

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.In an advantageous embodiment the concentration or the fuel cell electrode varies Amount of catalyst by at least 20% by weight, in particular by 30 Wt .-%. Such a variation is an improved utilization of the catalyst ensured, since the areas are only corresponding their turnover rates are covered with catalyst.

Vorteilhaft ist auch eine Ausführung der Brennstoffzellen-Elektrode, bei der die Konzentration oder die Menge des Katalysators entlang der Ebene Brennstoffkanal/Leitungsstege fluktuierend variiert, und zwar insbesondere periodisch entsprechend der Position der Brennstoffkanäle bzw. der Stromleitungsstege. Periodisch 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 Konzentration bzw. Menge an Katalysator (K1) 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 Fluktuation 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.An embodiment of the fuel cell electrode is also advantageous, at which the concentration or amount of catalyst is along the level of the fuel duct / line webs fluctuates, and in particular periodically according to the position of the fuel channels or the power line bridges. Periodically means concentration or the amount of catalyst increases for correspondingly recurring areas, e.g. For Areas covering the fuel channels opposite each other same values. Such a periodic assignment is e.g. a Defined concentration or amount of catalyst (K1) in the areas the opposite each other the fuel channels and another, e.g. lower concentration or amount of catalyst (K2) in the areas, each opposite the Power line bridges lie. This fluctuation in the occupancy of the Catalyst leads for a uniform allocation with catalyst in the areas the one hand the fuel channels and on the other hand opposite the power line bridges. This will make the same Implementation rates achieved in the same areas.

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 Katalysatorschicht aufzubringen und anschließend bestimmte Bereiche aus dieser Schicht zu entfernen.In an advantageous embodiment of the Fuel cell electrode the applied catalyst forms alone, or a mixture, which contains the catalyst a layer (catalyst layer) on the porous layer of the electrode. This form of catalyst coverage makes it particularly simple the demanding concentration or differences in quantity of catalyst due to different layer thicknesses to achieve the catalyst layer. Different layer thicknesses can z. B. by using masks when applying of the catalyst material. One more way is, first of all a uniform Apply catalyst layer and then certain areas remove this layer.

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.An advantageous embodiment of the sophisticated fuel cell electrode points in the areas of porous Layer opposite the fuel channels, a lower concentration of catalyst than in the areas opposite the flow channels. This configuration is advantageous in a fuel cell in the make used in which during operation, the diffusion of the fuel gas 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 Betriebsstoffkanälen und den Bereichen unter den Leitungsstegen während des Brennstoffzellenbetriebs variiert.Under diffusion of the fuel gas the mass transport of the fuel gas from the fuel channels into the porous Layer into it. There is a high diffusion if the distribution of the electrochemically active substance within the porous layer of the electrode by less than 20% between the areas under the Fuel channels and the areas under the landings during fuel cell operation varied.

Im Fall eines schichtförmig aufgebrachten Katalysators können beispielsweise jeweils die Bereiche an Katalysatormaterial, die den Betriebsstoffkanälen gegenüberliegen, abgetragen werden.In the case of a layered catalyst can for example, the areas of catalyst material that the fuel channels opposed, 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 Brennstoffzellenbetriebs aufweist. Dieser Effekt tritt sowohl bei hoher als auch bei niedriger Leitfähigkeit der porösen Schicht auf, ist also von dieser unabhängig.It has been shown that such Design of the electrode, in which essential parts of the electrode are not or only slightly covered with catalyst, only insignificantly decreased sales rates during of fuel cell operation. This effect occurs both with high and low conductivity of the porous layer is independent of it.

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 Brennstoffzellenbetriebs variiert.A further advantageous embodiment of the fuel cell electrode according to the invention 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 with low diffusion rates of the fuel gas in the porous layer during fuel cell operation. A low diffusion exists when the distribution of the electrochemically active substance within the porous layer of the electrode by more than 50% between the areas under the fuel channels and the areas under the landings during fuel cell operation.

Im Fall eines schichtförmig aufgebrachten Katalysators können beispielsweise jeweils die Bereiche an Katalysatormaterial, die den Stromleitungsstegen gegenüberliegen, abgetragen werden.In the case of a layered catalyst can for example, the areas of catalyst material that opposite the power line bridges, be removed.

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, verzichtet werden, da es nicht zur Erhöhung der Zelleistung beiträgt.In the case of low diffusion rates The chemical conversion of the fuel gas takes place essentially in the areas that lie opposite the fuel channels. Therefore, on catalyst material, which face each other the power line webs, are dispensed with, since it is not to increase contributes to cell performance.

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 choose the most suitable one To determine variation in the respective individual case through tests, because the influences the respective boundary conditions can be very diverse can.

Bei der Herstellung der anspruchsgemäßen Brennstoffzellen-Elektrode kann zum einen zunächst Katalysator in einheitlicher Konzentration bzw. Menge aufgebracht und anschließend ganz oder teilweise aus definierten Bereichen wieder entfernt werden. 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 kann der Katalysator fluktuierend aufgebracht werden, z. B. mit Hilfe einer Maske, so daß nur gerade soviel Katalysatormaterial verwendet wird, wie zur Belegung erforderlich ist.In the production of the sophisticated fuel cell electrode can firstly be a catalyst applied in a uniform concentration or quantity and then completely or partially removed from defined areas. By this ex post facto Removal can save targeted catalyst in the areas that have a low turnover rate. The removed catalyst can continue to be used. Alternatively, the catalyst may fluctuate be applied, e.g. B. with the help of a mask, so that only straight as much catalyst material is used as required for the occupancy is.

In beiden Fällen wird die Umsatzrate der anspruchsgemäßen Brennstoffzellen-Elektrode bezogen auf die eingesetzte Katalysatormenge verbessert.In both cases, the sales rate of sophisticated fuel cell electrode based on the amount of catalyst used improved.

Die Erfindung wird anhand von vier Figuren näher verdeutlicht. Dabei zeigenThe invention is based on four Figures closer clarified. Show

1 Konturlinien der elektrochemischen Umsetzungsrate in [mA/cm³] in der katalytischen Schicht einer Kathode in einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC),
elektrochemischer Prozeß: 3/2O₂ + 6e^– + 6H⁺ → 3H₂O,
niedrige Leitfähigkeit der porösen Schicht = 0,53 Ω^–1 cm^–1,
mittlere Stromdichte = 0,4 A/cm². 1 Contour lines of the electrochemical conversion rate in [mA / cm ³ ] in the catalytic layer of a cathode in a direct methanol fuel cell (DMFC),
electrochemical process: 3 / 2O 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 .

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: 3/2O₂ + 6e^– + 6H⁺ → 3H₂O,
hohe Leitfähigkeit der porösen Schicht = 40 Ω^–1 cm^–1,
mittlere Stromdichte = 0,4 A/cm². 2 Contour lines of the electrochemical conversion rate in [mA / cm ³ ] in the catalytic layer of a cathode in a DMFC with constant catalyst concentration (100% Pt) and with removal of the catalyst from the area opposite the fuel channel (0.05 <y <0.15 cm ) (50% Pt),
electrochemical process: 3 / 2O 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 .

3 Modelle zur Verringerung der einzusetzenden Katalysatormenge bei anspruchsgemäßen optimierten Brennstoffzellen-Elektroden. 3 Models for the reduction of the amount of catalyst to be used with sophisticated optimized fuel cell electrodes.

4 Vergleich der Abhängigkeiten der kathodischen Überspannung von der Stromdichte einer DMFC-Brennstoffzelle bei der Anwendung der 100%-Katalysatormenge gegenüber 50% der Katalysatormenge auf der kathodischen Seite der Zelle. Katalysator wurde entfernt aus den Bereichen, die gegenüber den Betriebsstoffkanälen liegen. 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 has been removed from the areas opposite the fuel channels.

Es hat sich gezeigt, daß eine 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.It has been shown that an embodiment of the Electrode in which essential parts of the electrode are not or only are slightly coated with catalyst, only slightly reduced Sales rates during of fuel 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 1 und 2 verdeutlichen. Diese Leitfähigkeit ist im üblichen Sinne definiert als die elektrische Leitfähigkeit eines Festkörpers.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, such as that 1 and 2 clarify. This conductivity is defined in the usual sense as the electrical conductivity of a solid.

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.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 .

Zu 1 To 1

Diese Figur stellt schematisch eine Brennstoffzellen- Elektrode dar, bei der die poröse Schicht eine geringe Leitfähigkeit und eine hohe Diffusivität für das Brenngas 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.This figure schematically represents one Fuel cell electrode in which the porous Layer a low conductivity and a high diffusivity for the fuel gas and at which the catalyst concentration is constant (100% Pt). On the right is a connecting element with a fuel channel BK and two power line webs SS drawn. That follows on the left the porous Layer with a high conductivity on. On the far left is the catalyst layer (100% Pt). In this catalyst layer is a contour plot where the axes the 2-dimensional position in the catalyst layer play in the electrode.

In Abhängigkeit von der 2-dimensionalen Position innerhalb der katalytischen Schicht sind für die Reaktion 3/2O₂ + 6e^– + 6H+ → 3H₂O bei einer mittleren Stromdichte von 0,4 A/cm² und einer Leitfähigkeit der porösen Schicht von 0,53 Ω^–1 cm^– elektrochemische Umsatzraten berechnet worden.Depending on the 2-dimensional position within the catalytic layer, 3 / 2O ₂ + 6e ^- + 6H + → 3H ₂ O for the reaction with an average current density of 0.4 A / cm ² and a conductivity of the porous layer of 0, 53 Ω ^–1 cm ^- electrochemical conversion rates have been calculated.

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.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 are essentially in the areas which 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 Bereich gegenüber des Betriebsstoffkanals kaum einen Beitrag zur Zelleistung beisteuert. Eine Entfernung des Katalysators aus diesem Bereich führt zu einer großen Einsparung an Katalysatormaterial, bei nur unwesentlich geringerer Zelleistung.From this it can be seen that in the case of a porous layer which has a low conductivity and a has high diffusion for the fuel gas, the catalyst in the area opposite the fuel channel hardly contributes to cell performance. Removing the catalyst from this area leads to a large saving in catalyst material, with only an insignificantly lower cell output.

Zu 2 To 2

Analog zu 1 ist hier ebenfalls eine Brennstoffzellen-Elektrode dargestellt, bei der die poröse Schicht eine hohe Leitfähigkeit und eine hohe Diffusivität für das Brenngas aufweist. Hierbei sind jedoch zwei unterschiedliche Konturplots eingetragen, die die Verhältnisse unter zwei Bedingungen widerspiegeln.Analogous to 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.

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.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 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 Katalysator (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 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 up to 1700 mA / cm ³ can be seen in the areas opposite the power line webs. The increase in the sales rate in these areas clearly outweighs the decrease in sales in the areas freed from catalyst. (see also 4 )

Zu den 3.1 und 3.2 To the 3.1 and 3.2

Die 3.1 und 3.2 zeigen schematisch zwei vorteilhafte Ausführungsformen der anspruchsgemäßen Brenn stoffzellen-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 3.1 ist vorteilhaft für eine Elektrode, 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 Katalysator in dem Bereich, der dem Betriebsstoffkanal gegenüberliegt, verzichtet werden kann.The 3.1 and 3.2 schematically show two advantageous embodiments of the fuel cell electrode with an applied membrane layer, in which catalyst material has been removed from the areas in which it only makes an insignificant contribution to cell performance. The membrane electrode assembly (MEA) in the 3.1 is advantageous for an electrode which 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 there is no need for a catalyst in the area opposite the fuel channel.

Die poröse Schicht in der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) in der 3.2 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.The porous layer in the membrane electrode assembly (MEA) in the 3.2 has a low diffusivity for the reaction gas. The implementation mainly takes place 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 bridges.

Zu 4 To 4

Diese Graphik zeigt die Abhängigkeiten der kathodischen Überspannung von der Stromdichte einer DMFC-Brennstoffzelle 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 Potentialverluste dar. Die Zellverluste (Potentialverluste) liegen bei einer Stromdichte von 0.4 A/cm² deutlich unter 5%.This graphic 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. 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 clearly below 5% at a current density of 0.4 A / cm ² .

Claims

Fuel cell electrode with operating channels and power bars or with a connecting element which has operating channels and power bars, as well as with a porous layer and catalyst, characterized in that the concentration or the amount of the catalyst - varies with the position of the operating channels and the power bars, and - depends on the diffusivity of the porous layer for the fuel gas.

Fuel cell electrode according to the preceding claim, characterized in that the concentration or amount of Catalyst varies by at least 20 wt .-%.

Fuel cell electrode according to one of the preceding Expectations, characterized in that the concentration or amount of Catalyst fluctuating along the fuel channel / line web level varies, in particular periodically according to the position of the Fuel channels and the power line bridges.

Fuel cell electrode according to one of the preceding Expectations, characterized in that the catalyst forms a layer, which has varying layer thicknesses and / or interruptions.

Fuel cell electrode according to one of the preceding Expectations 1 to 4, characterized in that with high diffusivity of the porous layer for the Fuel gas the amount of catalyst in the area facing the operating channels is at least 20% less than in the area where the bridges are connected opposite.

Fuel cell electrode according to one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that with low diffusivity of the porous layer for the fuel gas, the amount of catalyst in the area opposite the operating channels is at least 20% higher than in the area opposite the power bars.