DE10254114B4 - Gas diffusion electrode, polymer electrolyte membrane fuel cell and polymer electrolyte membrane fuel cell stack - Google Patents

Gas diffusion electrode, polymer electrolyte membrane fuel cell and polymer electrolyte membrane fuel cell stack Download PDF

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Abstract

Gasdiffusionselektrode (4) einer Membran-Elektroden-Einheit, wobei die Gasdiffusionselektrode (4) aus wenigstens einer Gasdiffusionsschicht (1, 2) und einer Katalysatorschicht gebildet ist, wobei in der wenigstens einen Gasdiffusionsschicht (1, 2) ein Konzentrationsgradient (8) einer die physikalischen Eigenschaften der Gasdiffusionselektrode (4) beeinflussenden chemischen Komponente der Gasdiffusionsschicht (1, 2) ausgebildet ist, und wobei der Konzentrationsgradient (8) der chemischen Komponente der Gasdiffusionsschicht (1, 2) in Richtung senkrecht zur Oberseite der Gasdiffusionselektrode (4) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrationsgradient (8) der chemischen Komponente der Gasdiffusionsschicht (1, 2) darüber hinaus in wenigstens einer Richtung parallel zur Oberseite der Gasdiffusionselektrode (4) ausgebildet ist.Gas diffusion electrode (4) a membrane-electrode assembly, wherein the gas diffusion electrode (4) of at least one gas diffusion layer (1, 2) and a catalyst layer is formed, wherein in the at least one gas diffusion layer (1, 2) a concentration gradient (8) one of the physical properties the gas diffusion electrode (4) affecting chemical component the gas diffusion layer (1, 2) is formed, and wherein the concentration gradient (8) the chemical component of the gas diffusion layer (1, 2) in FIG Direction perpendicular to the top of the gas diffusion electrode (4) is formed, characterized in that the concentration gradient (8) the chemical component of the gas diffusion layer (1, 2) beyond in at least one direction parallel to the top of the gas diffusion electrode (4) is formed.

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Description

Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Gasdiffusionselektroden für Membran-Elektroden-Einheiten. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Gasdiffusions-Elektrode gemäß dem Oberbegriff es Patentanspruchs 1, eine Brennstoffzelle mit dieser Gasdiffusionselektrode sowie einen Brennstoffzellenstapel mit diesen Gasdiffusionselektroden.The The invention relates to the technical field of gas diffusion electrodes for membrane electrode units. In particular, the invention relates to a gas diffusion electrode according to the preamble it patent claim 1, a fuel cell with this gas diffusion electrode and a fuel cell stack with these gas diffusion electrodes.

Der prinzipielle Aufbau einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle – kurz PEM-BZ – ist wie folgt. Die PEM-BZ enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung – kurz MEA, die aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Polymer-Elektrolyt-Membran – kurz PEM – aufgebaut ist. Die MEA ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei eine Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Brennstoff aufweist und die andere Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel und wobei die Kanäle der MEA zugewandt sind. Die Elektroden, Anode und Kathode, sind im Allgemeinen als Gasdiffusionselektroden – kurz GDE – ausgebildet. Diese haben die Funktion, den bei der elektrochemischen Reaktion (z.B. 2H2 + O2 → 2H2O) erzeugten Strom abzuleiten und die Reaktionsstoffe, Edukte und Produkte, durchdiffundieren zu lassen. Eine GDE besteht aus wenigstens einer Gasdiffusionsschicht – kurz GDL – und einer Katalysatorschicht, die der PEM zugewandt ist und an der die elektrochemische Reaktion abläuft.The basic structure of a polymer electrolyte membrane fuel cell - PEM-BZ short - is as follows. The PEM-BZ contains a membrane-electrode assembly - MEA short, which is composed of an anode, a cathode and an interposed polymer electrolyte membrane - PEM - constructed. In turn, the MEA is interposed between two separator plates, with one separator plate having fuel distribution channels and the other separator plate having channels for the distribution of oxidant and the channels facing the MEA. The electrodes, anode and cathode, are generally designed as gas diffusion electrodes - in short GDE. These have the function to dissipate the current generated during the electrochemical reaction (eg 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) and allow the reactants, starting materials and products to diffuse through. A GDE consists of at least one gas diffusion layer - in short GDL - and a catalyst layer, which faces the PEM and at which the electrochemical reaction takes place.

Eine derartige Brennstoffzelle kann bei relativ geringen Betriebstemperaturen elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen. Reale Brennstoffzellen sind meist zu so genannten Brennstoffzellenstapeln – kurz Stacks – gestapelt, um eine hohe Leistungsabgabe zu erzielen, wobei anstelle der monopolaren Separatorplatten bipolare Separatorplatten, so genannte Bipolarplatten, eingesetzt werden und monopolare Separatorplatten nur als Endplatten des Stacks.A Such a fuel cell can operate at relatively low operating temperatures produce high-power electrical power. Real fuel cells are usually stacked into so-called fuel cell stacks - in short stacks -, to achieve a high power output, using instead of the monopolar Separator plates bipolar separator plates, so-called bipolar plates, be used and monopolar separator plates only as end plates of the Stacks.

Als Reaktionsstoffe werden Brennstoffe und Oxidationsmittel eingesetzt. Meist werden gasförmige Reaktionsstoffe eingesetzt, z.B. H2 oder ein H2-haltiges Gas (z.B. Reformatgas) als Brennstoff und O2 oder ein O2-haltiges Gas (z.B. Luft) als Oxidationsmittel. Unter Reaktionsstoffen werden alle an der elektrochemischen Reaktion teilnehmenden Stoffe verstanden, also auch die Reaktionsprodukte wie z.B. H2O. Eine trockene PEM weist eine geringe Ionenleitfähigkeit auf. Um die PEM zu befeuchten, werden daher die Reaktionsstoffe in der Regel befeuchtet, bevor sie einer PEM-Brennstoffzelle zugeführt werden. Der Nachteil der Befeuchtung besteht in dem damit verbundenen Aufwand und den zusätzlich erforderlichen Komponenten (Befeuchter), was dem Streben nach einem möglichst einfachen Betriebsverfahren und einer möglichst kompakten Bauart entgegensteht.The reactants used are fuels and oxidizing agents. Most gaseous reactants are used, for example H 2 or an H 2 -containing gas (eg reformate gas) as fuel and O 2 or an O 2 -containing gas (eg air) as the oxidant. Reactants are understood as meaning all substances participating in the electrochemical reaction, including the reaction products such as H 2 O. A dry PEM has a low ionic conductivity. To moisten the PEM, therefore, the reactants are usually moistened before they are fed to a PEM fuel cell. The disadvantage of humidification is the associated effort and the additional components required (humidifier), which is contrary to the pursuit of the simplest possible operation and a compact design as possible.

Um mit PEM-Brennstoffzellen elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen zu können, wird eine möglichst gleichmäßige Befeuchtung der PEM angestrebt. De facto werden jedoch PEM im Allgemeinen nicht gleichmäßig befeuchtet, d.h. die PEM ist im Allgemeinen in einigen Bereichen feucht oder sogar zu feucht und in anderen Bereichen trocken oder sogar zu trocken. Der optimale thermodynamische Zustand für eine PEM, d.h. der thermodynamische Zustand, bei dem eine MEA ihre maximale Leistung bringen kann, liegt im Allgemeinen nur in wenigen Bereichen der PEM vor, oder sogar in keinem.Around generate electric power with high power with PEM fuel cells to be able to will one possible even moistening the PEM sought. De facto, however, PEMs are generally not evenly moistened, i.e. The PEM is generally moist in some areas or even too humid and in other areas dry or even too dry. The optimal thermodynamic state for a PEM, i. the thermodynamic State where an MEA can bring its maximum performance lies generally only in a few areas of PEM before, or even in none.

Dies kann wie folgt erklärt werden. Der thermodynamische Zustand des thermodynamischen Systems Brennstoffzelle lässt sich mit Hilfe von thermodynamischen Parametern beschreiben. Diese thermodynamischen Parameter sind im Falle einer Brennstoffzelle, die mit gasförmigen Reaktionsstoffen – kurz Reaktionsgasen – betrieben wird z.B.:

  • – der Gesamtdruck p in der Gasphase der Brennstoffzelle, der die Summe der Partialdrücke pi ist (p = Σipi);
  • – die Partialdrücke pi der Komponenten i der Gasphase, z.B. der Wasserdampf-Partialdruck pH2O, der H2-Partialdruck pH2 (wenn als Brennstoff H2 eingesetzt wird), der O2-Partialdruck pO2(wenn als Oxidationsmittel O2 eingesetzt wird);
  • – die Temperatur.
This can be explained as follows. The thermodynamic state of the thermodynamic fuel cell system can be described by thermodynamic parameters. These thermodynamic parameters are in the case of a fuel cell, which is operated with gaseous reactants - in short reaction gases - for example:
  • The total pressure p in the gas phase of the fuel cell, which is the sum of the partial pressures p i (p = Σ i p i );
  • - The partial pressures p i of the components i of the gas phase, for example, the water vapor partial pressure p H2O , the H 2 partial pressure p H2 (if as fuel H 2 is used), the O 2 partial pressure p O2 (if used as the oxidant O 2 becomes);
  • - the temperature.

Diese thermodynamischen Parameter ändern sich infolge der elektrochemischen Reaktion, die in einer MEA abläuft, in Strömungsrichtung der Reaktionsstoffe entlang der MEA-Oberfläche. D.h., dass an jedem Punkt entlang einer MEA ein anderer thermodynamische Zustand vorliegen kann. Insgesamt sind also die thermodynamischen Bedingungen innerhalb einer Brennstoffzelle, insbesondere entlang einer MEA, inhomogen.These change thermodynamic parameters due to the electrochemical reaction that takes place in an MEA flow direction the reactants along the MEA surface. That is, at every point along a MEA another thermodynamic state exist can. Overall, therefore, the thermodynamic conditions are within a fuel cell, in particular along an MEA, inhomogeneous.

Herkömmliche MEAs sind dagegen meist homogen ausgebildet, was seine Ursache in dem entsprechenden Herstellungsverfahren hat, und können daher nicht zu einer Homogenisierung der thermodynamischen Bedingungen beitragen, sodass die inhomogenen thermodynamischen Bedingungen durch die GDE einer MEA hindurch auch auf deren PEM wirken können.conventional MEAs, on the other hand, are usually homogeneously formed, which is due to has the appropriate manufacturing process, and therefore can not to a homogenization of the thermodynamic conditions contribute, so that the inhomogeneous thermodynamic conditions through the GDE of an MEA can also affect its PEM.

Inhomogene thermodynamische Bedingungen an einer PEM sind jedoch aus mehreren Gründen nachteilig. Beispielsweise nimmt der Partialdruck der Reaktionsstoffe infolge der elektrochemischen Reaktion in Strömungsrichtung ab, wodurch sich an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Reaktionsgeschwindigkeiten einstellen können, die wiederum zu unterschiedlichen Stromdichten und thermischen Gradienten führen können. Die Folge davon können Ausgleichströme und hot spots sowie lokal unterschiedliche Befeuchtungszustände der PEM sein, welche die Leistung einer MEA bzw. Brennstoffzelle nicht nur schmälern können, sondern die Brennstoffzelle auch physikalisch schädigen können.However, inhomogeneous thermodynamic conditions on a PEM are disadvantageous for several reasons. For example, the partial pressure of the reactants decreases as a result of the electrochemical reaction in the flow direction, which can set different reaction rates at different locations, which in turn lead to different current densities and thermi can lead to gradients. The consequence of this can be equalizing currents and hot spots as well as locally different humidifying states of the PEM, which can not only diminish the performance of an MEA or fuel cell, but also physically damage the fuel cell.

Insgesamt betrachtet laufen MEAs des Standes der Technik infolge der inhomogenen thermodynamischen Bedingungen im Allgemeinen nur örtlich unter optimalen Bedingungen, eben dort, wo die thermodynamischen Bedingungen zufällig optimal sind. Das bedeutet, dass eine MEA, bzw. eine Brennstoffzelle, die diese MEA aufweist, im Allgemeinen suboptimal betrieben wird und nur einen Teil der theoretisch möglichen maximalen Leistung liefert.All in all considered MEAs of prior art as a result of inhomogeneous thermodynamic conditions generally only locally below optimal conditions, just where the thermodynamic conditions fortuitously are optimal. This means that an MEA, or a fuel cell, which has this MEA, is generally operated suboptimal and only part of the theoretically possible maximum power supplies.

Hinsichtlich der Befeuchtung einer PEM ergibt sich die Situation, dass in der Nähe des Eingangsportes für ein Oxidationsmittel (vorzugsweise Luft) für Wasser die Tendenz besteht, zu verdampfen, weil das Oxidationsmittel dort verhältnismäßig trocken ist, sodass die PEM in diesem Bereich zur Austrocknung neigt. Beim Strömen durch die Kanäle der Separatorplatte absorbiert das Oxidationsmittel Wasser von der MEA, wodurch dessen Feuchte zunimmt und wodurch, auf dem weiteren Weg vom Eingangsport zum Ausgangsport, zunehmend weniger Was ser vom Oxidationsmittel aufgenommen wird bzw. aufgenommen werden kann, sodass sich am Ausgangsport sogar die Situation ergeben kann, dass das bei der elektrochemischen Reaktion entstehende Produktwasser nicht ausreichend abgeführt werden kann.Regarding moistening a PEM results in the situation that in the Near the Input port for an oxidizing agent (preferably air) for water tends to to evaporate because the oxidant there relatively dry is so that the PEM in this area tends to dehydration. At the Stream through the channels of Separator plate absorbs the oxidant water from the MEA, as a result of which its moisture increases and, on the way, further from the input port to the output port, increasingly less water from the Oxidizing agent is recorded or can be included, so that even the situation can arise at the starting port that the product water produced during the electrochemical reaction not sufficiently dissipated can.

Wird nun das Oxidationsmittel vor Eintritt in eine Brennstoffzelle befeuchtet, so kann sich die Situation ergeben, dass die MEA im Bereich des Eingangsports zwar feucht genug ist, um eine Austrocknung der PEM zu verhindern, allerdings kann dann die Feuchte des Oxidationsmittels am Ausgangsport zu hoch sein, sodass dort kein Wasser mehr abgeführt werden kann und sich flüssiges Wasser bildet. Dieses kann die GDE einer MEA verstopfen und die Diffusion der Reaktionsstoffe innerhalb der GDE behindern, sodass die MEA eine schlechte Leistung aufweist.Becomes now moisten the oxidant before entering a fuel cell, the situation may arise that the MEA is in the area of Entry ports while wet enough to dry out the PEM to prevent, however, then the humidity of the oxidizing agent be too high at the exit port, so that no more water can be removed there can and is liquid Water forms. This can clog the GDE of an MEA and the diffusion impede the reactants within the GDE, leaving the MEA has a poor performance.

Darüber hinaus ergibt sich das Problem, das in jeder Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels ein anderer thermodynamischer Zustand herrschen kann, wobei der in einer Brennstoffzelle jeweils vorliegende thermodynamische Zustand abhängig ist von dem Ort der Brennstoffzelle im Brennstoffzellenstapel. Der Grund dafür ist, dass die Brennstoffzellen im Stapel untereinander Wärme austauschen und Brennstoffzellen, die weiter in der Mitte des Stapels angeordnet sind, eine höhere Temperatur aufweisen als Brennstoffzellen, die eher an den äußeren Enden des Stapels angeordnet sind. Mit höheren Temperaturen verschärft sich auch das Befeuchtungsproblem, sodass die PEM wärmerer, im Stapel eher mittig angeordneter Brennstoffzellen stärker zur Austrocknung neigen, als PEM kühlerer, im Stapel eher außen angeordneter Brennstoffzellen. Zu diesen stapelungsbasierten Unterschieden in Temperatur und Befeuchtung kommen die o.g. Unterschiede entlang einer einzelnen MEA, sodass es wünschenswert wäre, nicht nur eine MEA zur Verfügung zu haben, die an die sich ändernden thermodynamischen Bedingungen innerhalb einer einzelnen Brennstoffzelle angepasst ist, sondern viele MEAs, die so ausgestaltet sind, dass bei ihnen auch der ort der Brennstoffzelle innerhalb eines Brennstoffzellenstapels berücksichtigt ist.Furthermore the problem arises in every fuel cell of a fuel cell stack other thermodynamic state can prevail, the in one Fuel cell respectively present thermodynamic state is dependent on the location of the fuel cell in the fuel cell stack. The reason for that is, that the fuel cells in the stack exchange heat with each other and fuel cells, which are further arranged in the middle of the stack are, a higher one Have temperature as fuel cells, rather at the outer ends of the Stack are arranged. With higher Temperatures aggravated also the humidification problem, so the PEM warmer, in the stack rather centrally arranged fuel cells stronger Dehydration, as PEM cooler, in the stack rather outside arranged Fuel cells. These stack-based differences in Temperature and humidification come the o.g. Differences along a single MEA, making it desirable would not be only one MEA available to have that to the changing ones thermodynamic conditions within a single fuel cell adapted, but many MEAs that are designed so that with them also the location of the fuel cell within a fuel cell stack considered is.

In der internationalen Anmeldung WO 00/14816 A2 wird eine ausgeglichene Wasserbilanz einer MEA, d.h. eine Vergleichmäßigung der thermodynamischen Zustandes an der PEM, dadurch erzielt, dass eine Gasdiffusionsstruktur senkrecht zur Membran einen Gradienten in der Gasdurchlässigkeit aufweist. Zur Erreichung des Gradienten wird die Gasdiffusionsstruktur in ihrem Porenvolumen angepasst. Diesbezüglich wird ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsstruktur angegeben, bei dem im Wesentlichen zwei oder mehr Schichten mit jeweils unterschiedlicher Prosität jeweils aneinander angrenzend angeordnet werden. Dadurch soll erreicht werden, dass sich die Gradienten in den O2- und H2O-Partialdrücken nicht parallel, sondern senkrecht zur PEM-Oberfläche ausbilden, wodurch der thermodynamische Zustand über die gesamte Membranoberfläche konstant sein soll. Der Nachteil dieses Herstellungsverfahrens bzw. der daraus resultierenden Gasdiffusionsstruktur ist, dass die komplexe Struktur mit mehreren Schichten mit jeweils unterschiedlichen Porositäten nur schwer und mit hohem Aufwand realisierbar ist.In the international application WO 00/14816 A2, a balanced water balance of an MEA, ie a homogenization of the thermodynamic state at the PEM, is achieved in that a gas diffusion structure perpendicular to the membrane has a gradient in the gas permeability. To achieve the gradient, the gas diffusion structure is adjusted in its pore volume. In this regard, a method of manufacturing a gas diffusion structure is provided in which substantially two or more layers, each of different porosity, are disposed adjacent to each other. This is intended to ensure that the gradients in the O 2 and H 2 O partial pressures do not develop in parallel, but perpendicular to the PEM surface, as a result of which the thermodynamic state over the entire membrane surface should be constant. The disadvantage of this production method or the resulting gas diffusion structure is that the complex structure with multiple layers, each with different porosities is difficult and can be realized with great effort.

In der internationalen Anmeldung WO 01/17047 A1 wird eine PEM-BZ mit einer Elektrode offenbart, bei welcher die Hydrophobizität in einer Richtung entlang der Dicke der Elektrode variiert oder in einer Richtung entlang der Oberfläche.In the international application WO 01/17047 A1 is a PEM-BZ with discloses an electrode in which the hydrophobicity in one direction varies along the thickness of the electrode or in one direction along the surface.

Die US-Patentschrift 6,365,293 B1 offenbart eine Brennstoffzelle mit einer Kathode, die eine Wasserdurchlässigkeits-Einstell-Schicht aufweist. Die Wasserdurchlässigkeit dieser Schicht verändert sich entlang der Kathode vom Eingangsport des Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle in Richtung Ausgangsport. Die unterschiedliche Wasserdurchlässigkeit wird durch lokal unterschiedliche Konzentrationen eines wasserabweisenden Mittels in der Schicht erzielt. Hinsichtlich des Herstellungsverfahrens wird lediglich angegeben, dass in einen Bereich einer Elektrode, in dem eine geringe Wasserdurchlässigkeit gewünscht ist, mehr wasserabweisendes Mittel eingebracht wird bzw. dass in einen Bereich einer Elektrode, in dem eine größere Wasserdurchlässigkeit gewünscht ist, weniger wasserabweisendes Mittel eingebracht wird.US Pat. No. 6,365,293 B1 discloses a fuel cell having a cathode having a water permeation adjusting layer. The water permeability of this layer changes along the cathode from the oxidant input port into the fuel cell toward the output port. The different water permeability is achieved by locally different concentrations of a water repellent agent in the layer. With regard to the manufacturing method, it is merely stated that in a region of an electrode in which a low water permeability is desired, more water-repellent agent is introduced or that in a range of Electrode in which a greater water permeability is desired, less water-repellent agent is introduced.

Die DE 199 62 686 A1 offenbart eine Membran-Elektroden-Einheit für eine PEM-Brennstoffzelle, die eine ein Edelmetall enthaltende Elektrokatalysatorschicht umfasst. In diesem Dokument ist beschrieben, dass der Druck der Prozessgase und/oder die Temperatur und somit die Umsetzungsrate der Prozessgase über eine aktive Zellfläche der PEM-Brennstoffzelle variieren. In Bereichen der aktiven Zellfläche, in denen ein hoher Prozessgasdruck und eine hohe Temperatur vorherrschen, ist somit zur Erzielung eines guten Wirkungsgrads eine hohe Katalysator- bzw. Edelmetallkonzentration erforderlich, während in schlechter umströmten Bereichen der aktiven Zellfläche eine geringere Katalysator- bzw. Edelmetallbelegung ausreichend ist. Die Elektrokatalysatorschicht und/oder die Edelmetallkonzentration in dieser Schicht ist/sind daher asymmetrisch, d.h. die Dicke und/oder die Höhe der Schicht und/oder die Konzentration des Edelmetalls in der Schicht variiert/variieren in Abhängigkeit des Bedarfs in dem jeweiligen Membranbereich.The DE 199 62 686 A1 discloses a membrane electrode assembly for a PEM fuel cell comprising a noble metal-containing electrocatalyst layer. This document describes that the pressure of the process gases and / or the temperature and thus the conversion rate of the process gases vary over an active cell area of the PEM fuel cell. In regions of the active cell surface in which a high process gas pressure and a high temperature prevail, a high concentration of catalyst or noble metal is thus required to achieve a good efficiency, while in poorly flown areas of the active cell surface a lower catalyst or noble metal occupancy is sufficient , The electrocatalyst layer and / or the noble metal concentration in this layer is / are therefore asymmetric, ie the thickness and / or the height of the layer and / or the concentration of the noble metal in the layer varies depending on the requirements in the respective membrane region.

Die DE 197 37 389 A1 beschreibt eine Gasdiffusionselektrode für Brennstoffzellen, die eine anisotrope Gasdiffusionsschicht sowie eine katalytische Schicht umfasst. Die anisotrope Gasdiffusionsschicht besteht aus einer porösen Kohlenstoffmatrix, in der Kohlenstoffteilchen und Polyethersulfon so verteilt sind, dass die Matrix in seitlicher Richtung zum Gasstrom homogen porös ist, wohingegen die Porosität der Gasdiffusionsschicht in Richtung des Gasstroms abnimmt.The DE 197 37 389 A1 describes a gas diffusion electrode for fuel cells comprising an anisotropic gas diffusion layer and a catalytic layer. The anisotropic gas diffusion layer consists of a porous carbon matrix in which carbon particles and polyethersulfone are distributed so that the matrix is homogeneously porous in the lateral direction to the gas flow, whereas the porosity of the gas diffusion layer decreases in the direction of gas flow.

Aus der DE 197 09 199 A1 ist eine Gasdiffusionselektrode mit verringertem Diffusionsvermögen für Wasser bekannt, die in einem Teilbereich ein Füllmaterial enthält, das die effektive Diffusionskonstante der Elektrode für Wasser im Vergleich zur ungefüllten Elektrode verringert. Der Teilbereich erstreckt sich über die gesamte Fläche der Elektrode, jedoch nicht über ihre gesamte Dicke und reicht somit nicht bis an die Oberflächen der Elektrode.From the DE 197 09 199 A1 For example, there is known a reduced diffusivity gas diffusion electrode for water which contains in one portion a filler which reduces the effective diffusion constant of the electrode for water as compared to the unfilled electrode. The subregion extends over the entire surface of the electrode, but not over its entire thickness and thus does not extend to the surfaces of the electrode.

Die DE 100 56 537 A1 beschreibt eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, die in Form von reaktiven Schichten ausgebildet sind, an denen Gasreaktionen stattfinden. In Richtung eines die Anode bzw. die Kathode überströmenden Gasstroms weist/weisen die Anode und/oder die Kathode eine stufenweise oder kontinuierlich variierende Reaktivität auf.The DE 100 56 537 A1 describes a fuel cell having an anode and a cathode formed in the form of reactive layers on which gas reactions take place. In the direction of a gas flow flowing over the anode or the cathode, the anode and / or the cathode has / have a stepwise or continuously varying reactivity.

Die Eigenschaften einer MEA werden von den Eigenschaften ihrer GDE und ihrer PEM bestimmt. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit den GDE.The Properties of an MEA are determined by the characteristics of their GDE and determined by their PEM. The present invention deals with the GDE.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine GDE zur Verfügung zu stellen, welche die inhomogenen thermodynamischen Bedingungen innerhalb einer PEM-BZ wenigstens teilweise kompensiert, sodass entlang der PEM wenigstens annähernd optimale thermodynamische Bedingungen herrschen und eine MEA, in welche die GDE eingebaut ist, dadurch eine gute Leistung bringt.task Therefore, it is the object of the present invention to provide a GDE represent the inhomogeneous thermodynamic conditions within a PEM-BZ at least partially compensated, so along the PEM at least approximately optimal thermodynamic conditions prevail and an MEA into which the GDE is installed, thereby bringing a good performance.

Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend eine GDE für eine MEA, wobei die GDE aus wenigstens einer GDL und einer Katalysatorschicht gebildet ist, wobei in der wenigstens einen GDL ein Konzentrationsgradient einer die physikalischen Eigenschaften der GDE beeinflussenden chemischen Komponente der GDL ausgebildet ist. Dieser Konzentrationsgradient der chemischen Komponente der GDL ist in wenigstens einer Richtung parallel zur Oberseite der GDE und einer Richtung senkrecht zur Oberseite der GDE ausgebildet.One The first object of the present invention is accordingly a GDE for an MEA, wherein the GDE consists of at least one GDL and a catalyst layer is formed, wherein in the at least one GDL a concentration gradient a chemical that influences the physical properties of the GDE Component of the GDL is formed. This concentration gradient The chemical component of the GDL is in at least one direction parallel to the top of the GDE and a direction perpendicular to the Top of the GDE trained.

Der Konzentrationsgradient ist dabei zumindest teilweise bzw. abschnittsweise entlang der besagten Richtungen von Null verschieden. Dabei können sowohl die Richtungen als auch der Verlauf des Konzentrationsgradienten beliebig vorbestimmt sein.Of the Concentration gradient is at least partially or in sections different from zero along the said directions. It can both the directions as well as the course of the concentration gradient be arbitrarily predetermined.

Mit Oberseite einer GDE ist eine Oberfläche der GDE gemeint, die einem Reaktionsstoff zugewandt ist, während die Unterseite einer GDE einer PEM bzw. einer Katalysatorschicht zugewandt ist. Wird die GDE in eine MEA eingebaut und diese wiederum in eine PEM-BZ, so ist die Oberseite der GDE einer Separatorplatte oder Bipolarplatte, bzw. den Kanälen auf einer Separatorplatte oder Bipolarplatte, zugewandt.With Top of a GDE is a surface of the GDE meant to one Reactant faces, while the bottom of a GDE of a PEM or a catalyst layer is facing. If the GDE is installed in an MEA and this in turn into a PEM-BZ, the top of the GDE is a separator plate or bipolar plate, or the channels on a separator plate or bipolar plate, facing.

Die erfindungsgemäße GDE ist an die inhomogenen thermodynamischen Bedingungen innerhalb einer PEM-BZ angepaßt. Sie kompensiert diese inhomogenen thermodynamischen Bedingungen wenigstens teilweise und bewirkt dadurch, dass entlang der PEM wenigstens annähernd optimale thermodynamische Bedingungen herrschen, sodass eine MEA, die mit einer erfindungsgemäßen GDE ausgestattet ist, eine gute Leistung bringt.The GDE according to the invention is to the inhomogeneous thermodynamic conditions within one PEM-BZ adapted. It compensates for these inhomogeneous thermodynamic conditions at least partially, thereby causing at least PEM along the PEM nearly optimal thermodynamic conditions prevail so that an MEA, those with a GDE invention equipped, performs well.

Die Leistung einer MEA, die z.B. mit einer erfindungsgemäßen GDE ausgestattet ist, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung anhand ihrer i-U-Kennlinie beurteilt. Eine MEA liefert eine gute Leistung, wenn ihre i-U-Kennlinie hoch liegt, d.h. wenn die MEA hohe Stromdichten i bei hohen Spannungen U liefert, und die Abnahme der Spannung U mit zunehmender Stromdichte gering ist.The Performance of an MEA, e.g. with a GDE according to the invention is in the context of the present invention with reference to their i-U characteristic. An MEA delivers good performance, if its i-U characteristic is high, i. when the MEA high current densities i at high voltages U supplies, and the decrease of the voltage U with increasing current density is low.

Eine bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen GDE weist einen Konzentrationsgradienten einer chemischen Komponente der GDL auf, der wenigstens eine Richtung parallel zur Oberseite der GDE aufweist, die von einer Verbindungslinie, die den Eingangsport für einen Reaktionsstoff in die PEM-BZ mit dem Ausgangsport für den Reaktionsstoff aus der PEM-BZ verbindet, gebildet wird.A preferred variant of the GDE according to the invention has a concentration gradient of a chemical component of the GDL, the we at least one direction parallel to the top of the GDE, which is formed by a connecting line connecting the input port for a reactant in the PEM-BZ with the exit port for the reactant from the PEM-BZ.

Den Konzentrationsgradienten so zu gestalten, dass er zumindest eine Richtung vom Eingangsport zum Ausgangsport eines Reaktionsstoffs hat, ist vorteilhaft, da dies die generelle Strömungsrichtung des Reaktionsstoffs ist (serpentinenförmig o.ä. geführte Kanälen vernachlässigt), sodass entlang dieser Richtung die stärkste Änderung in den thermodynamischen Bedingungen zu erwarten ist.The To make concentration gradients so that he at least one Direction from the inlet port to the outlet port of a reactant has, is advantageous, since this is the general flow direction of the reactant is (serpentine etc. neglected channels), along this direction the strongest change in the thermodynamic Conditions are expected.

Eine weiter bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen GDE weist einen Konzentrationsgradienten auf, der wenigstens zwei Abschnitte aufweist, in denen die Konzentration unterschiedliche Verläufe hat, wobei der Verlauf der Konzentration ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend linear zunehmend, nichtlinear zunehmend, linear abnehmend, nichtlinear abnehmend und konstant bleibend.A Further preferred variant of the GDE according to the invention has a concentration gradient on, which has at least two sections in which the concentration different courses has, wherein the course of the concentration is selected from the group comprising linear increasing, nonlinear increasing, linear decreasing, nonlinear decreasing and staying constant.

Durch diese feinen Abstufungen der Konzentration des chemischen Stoffes in Abhängigkeit vom Ort in einer GDE ist es möglich, physikalische Eigenschaften der GDE ortsabhängig sehr fein einzustellen.By These fine gradations of concentration of chemical substance dependent on from the place in a GDE it is possible To adjust the physical properties of the GDE very finely depending on the location.

Bei einer noch weiter bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen GDE weist der Konzentrationsgradient einen oder mehrere Sprünge auf oder einen oder mehrere Knicke, oder sowohl einen oder mehrere Sprünge als auch einen oder mehrere Knicke. D.h. der Konzentrationsgradient kann Unstetigkeitsstellen wie z.B. Sprünge oder Knicke haben, wobei Sprünge und Knicke auch nebeneinander vorliegen können. Besonders bevorzugt sind dabei Knicke.at a still further preferred variant of the GDE invention the concentration gradient has one or more jumps or one or more kinks, or both one or more jumps as also one or more kinks. That the concentration gradient can discontinuities such. Jumps or kinks have, where jumps and kinks can also coexist. Particularly preferred while kinks.

Durch diese Sprünge bzw. Knicke weist diese erfindungsgemäß bevorzugte GDE einen räumlich genau platzierbaren Sprung in ihren physikalischen Eigenschaften auf.By these jumps or kinks, this inventively preferred GDE spatially accurate placeable jump in their physical properties.

Derartige GDE können z.B. innerhalb der Diffusionsschicht vorbestimmte Bereiche aufweisen, die gezielt wasserfrei gehalten sind, und andere Bereiche, die als Wasserreservoir oder zur Wasserverteilung dienen.such GDE can e.g. have predetermined areas within the diffusion layer, which are deliberately kept anhydrous, and other areas that are considered Water reservoir or serve for water distribution.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass die physikalischen Eigenschaften einer GDE auch durch andere Maßnahmen als durch einen Konzentrationsgradienten einer chemischen Komponente der GDL beeinflusst werden können. Weitere geeignete Maßnahmen sind z.B. die Variation der Schichtdicke der GDE; die Herstellung eines Schichtdickenprofils und/oder Porositätsprofils durch Übereinanderschichten mehrerer GDL mit unterschiedlichen Schichtdicken und/oder Porositäten.At this point should be mentioned that the physical properties of a GDE are also different activities as by a concentration gradient of a chemical component the GDL can be influenced. Further suitable measures are e.g. the variation of the layer thickness of the GDE; the production a layer thickness profile and / or porosity profile by stacking multiple GDL with different layer thicknesses and / or porosities.

Wie erwähnt, beeinflusst die chemische Komponente der GDL die physikalischen Eigenschaften einer GDE. Dabei ist die Komponente der GDL vorzugsweise ein chemischer Stoff, der die folgenden physikalischen Eigenschaften der GDE beeinflusst: Permeabilität der GDE für Gase, Permeabilität der GDE für Flüssigkeiten, Benetzungsverhalten der GDE, Wärmeleitung der GDE, mechanische Stabilität der GDE, Steifigkeit der GDE und Verbindbarkeit der GDE mit anderen Materialien.As mentioned, affects the chemical component of the GDL physical Properties of a GDE. The component of the GDL is preferred a chemical substance that has the following physical properties the GDE influences: permeability the GDE for Gases, permeability the GDE for Liquids, Wetting behavior of the GDE, heat conduction the GDE, mechanical stability the GDE, rigidity of the GDE and connectivity of the GDE with others Materials.

Die erfindungsgemäß bevorzugten GDE, bei denen die o.g. physikalischen Eigenschaften wenigstens teilweise räumlich gezielt eingestellt sind, sind von besonderem Vorteil, weil sie an die inhomogenen thermodynamischen Bedingungen innerhalb einer Brennstoffzelle und die besonderen Belastungen für die Materialien und Werkstoffe besonders gut angepasst sind. Brennstoffzellen, die mit derartigen GDE ausgestattet sind, liefern eine besonders gute Leistung und zeigen ein verbessertes Verhalten hinsichtlich Defekten durch Materialermüdung.The preferred according to the invention GDE, where the o.g. physical properties at least partly spatially are targeted, are of particular advantage because they to the inhomogeneous thermodynamic conditions within a fuel cell and the special burdens for the Materials and materials are particularly well adapted. fuel cells, which are equipped with such GDE, provide a special good performance and show improved behavior Defects due to material fatigue.

In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn es sich bei der die physikalischen Eigenschaften der GDE beeinflussenden Komponente der GDL um einen chemischen Stoff handelt, der die Permeabilität der GDE für Gase und Flüssigkeiten, vorzugsweise die Permeabilität der GDE für Wasser und insbesondere die Permeabilität der GDE für Wasserdampf beeinflusst.In In this context, it is preferable if it is the physical Properties of the GDE influencing component of the GDL by one chemical substance that determines the permeability of the GDE to gases and liquids, preferably the permeability the GDE for Water and in particular the permeability of the GDE for water vapor influenced.

Unter der Permeabilität von z.B. Wasserdampf wird dabei die Menge an Wasserdampf verstanden, die durch eine Einheitsfläche der Diffusionsschicht wandert, wenn der Wasserdampfpartialdruck auf einer Seite der Diffusionsschicht sich vom Wasserdampfpartialdruck auf der anderen Seite der Diffusionsschicht unterscheidet. Je mehr Wasserdampf durch die Diffusionsschicht wandern kann, desto größer ist die Permeabilität für Wasserdampf.Under the permeability from e.g. Steam is understood to mean the amount of water vapor, by a unit area the diffusion layer migrates when the water vapor partial pressure on one side of the diffusion layer from the water vapor partial pressure on the other side differs the diffusion layer. The more Water vapor can migrate through the diffusion layer, the larger it is the permeability for water vapor.

Die erfindungsgemäß bevorzugten GDE mit räumlich gezielt eingestellten Permeabilitäten, insbesondere für Wasserdampf, sind von besonderem Vorteil, da dadurch die Diffusion innerhalb der Diffusionsschicht gezielt gesteuert werden kann und dadurch die thermodynamischen Bedingungen an der PEM vergleichmäßigt werden können, was eine erhöhte Leistung einer MEA, die mit einer solchen GDE ausgestattet ist, zur Folge hat. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die die physikalischen Eigenschaften der GDE beeinflussende Komponente der GDL ein chemischer Stoff, der aus der Gruppe der Hydrophobierungsmittel, der Porenbildner, Ruß und Graphit ausgewählt ist.The preferred according to the invention GDE with spatial targeted permeabilities, especially for water vapor, are of particular advantage, since thereby the diffusion within the diffusion layer can be controlled specifically and thereby the thermodynamic conditions at the PEM are evened out can, what an increased Performance of an MEA equipped with such a GDE, entails. In a preferred embodiment of the invention is the one influencing the physical properties of the GDE Component of the GDL a chemical substance belonging to the group of Hydrophobing agent selected from pore builder, carbon black and graphite.

Die erfindungsgemäß bevorzugten chemischen Stoffe weisen den Vorteil auf, dass sie z.B. durch ihre eigenen physikalischen Eigenschaften bei gezielter Dosierung an vorbestimmten Orten mit besonderem Vorzug für die gezielte Beeinflussung teilweise sehr wichtiger physikalischer Eigenschaften in einer Diffusionsschicht eingesetzt werden können.The inventively preferred chemi Substances have the advantage that they can be used for example by their own physical properties with targeted dosing at predetermined locations with particular preference for the targeted influencing some very important physical properties in a diffusion layer.

Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn es sich bei der die physikalischen Eigenschaften der GDE beeinflussenden Komponente der GDL um ein Hydrophobierungsmittel handelt, das aus der Gruppe der perfluorierten polymeren Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Polytetrafluorethylen – kurz PTFE, z.B. Teflon, und der fluorierten polymeren Sulfonsäuren, wie z.B. Nafion ausgewählt ist. there it is further preferred if it is the physical Properties of the GDE-influencing component of the GDL Hydrophobic agent is that from the group of perfluorinated polymeric hydrocarbons, e.g. Polytetrafluoroethylene - short PTFE, e.g. Teflon, and the fluorinated polymeric sulfonic acids, e.g. Nafion selected is.

Diese erfindungsgemäß bevorzugten chemischen Stoffe lassen sich hervorragend für die Steuerung der H2O-Diffusion in Diffusionsschichten einsetzen, da bei ihnen die Hydrophobizität besonders stark ausgeprägt ist und sie daher nur in verhältnismäßig geringen Mengen eingesetzt werden müssen. Sie besitzen zudem den Vorteil, chemisch verhältnismäßig stabil und inert sind.These inventively preferred chemical substances can be used excellently for the control of H 2 O diffusion in diffusion layers, since in them the hydrophobicity is particularly pronounced and therefore they must be used only in relatively small amounts. They also have the advantage of being chemically relatively stable and inert.

Die Verwendung von erfindungsgemäßen GDE in elektrochemischen Zellen, vorzugsweise in PEM-Brennstoffzellen, hat den Vorzug, dass dadurch elektrochemische Zellen hergestellt werden können, die an die in ihnen herrschenden, thermodynamisch inhomogenen Bedingungen angepasst sind und dadurch mit verbesserter Leistung betrieben werden können.The Use of GDE according to the invention in electrochemical cells, preferably in PEM fuel cells, has the merit of producing electrochemical cells that can be to the thermodynamically inhomogeneous conditions prevailing in them are adapted and thus can be operated with improved performance.

Ein weiterer Vorzug ist, dass auch Brennstoffzellenstacks hergestellt werden können, bei denen jede einzelne Brennstoffzelle an die an ihrem Ort im Stapel herrschenden speziellen thermodynamischen Bedingungen (Gesamtdruck, Partialdrucke, Temperatur) angepasst sind, indem jede Brennstoffzelle wenigstens eine erfindungsgemäße GDE enthält, wodurch ein solcher Brennstoffzellenstack mit verbesserter Leistung betrieben werden kann.One Another merit is that fuel cell stacks are also manufactured can be where each individual fuel cell is stacked in place in its place prevailing special thermodynamic conditions (total pressure, Partial pressures, temperature) are adjusted by each fuel cell contains at least one GDE according to the invention, whereby operated such a fuel cell stack with improved performance can be.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher eine PEM-Brennstoffzelle, die wenigstens eine GDE, wie sie vorstehend offenbart ist, aufweist. Die erfindungsgemäßen Brennstoffzellen haben den Vorteil, dass die in ihnen vorliegenden, örtlich unterschiedlichen thermodynamischen Bedingungen von der GDE wenigstens teilweise kompensiert werden, wodurch sich an der PEM annähernd homogene bzw. vergleichmäßigte Bedingungen einstellen. Dadurch können u.a. hot spots und unerwünschte Ausgleichsströme verhindert werden sowie eine gleichmäßig gute Befeuchtung der PEM und damit eine verbesserte Leistung der Brennstoffzelle erreicht werden.One Another object of the present invention is therefore a PEM fuel cell, comprising at least one GDE as disclosed above. The fuel cell according to the invention have the advantage that the present in them, locally different thermodynamic conditions are at least partially compensated by the GDE become, whereby on the PEM approximately homogenous or even conditions to adjust. Thereby can et al hot spots and unwanted equalizing currents be prevented and evenly moistening the PEM and thus achieves an improved performance of the fuel cell become.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein PEM-Brennstoffzellenstapel, der wenigstens zwei PEM-Brennstoffzellen, wie sie vorstehend offenbart sind, aufweist.One Another object of the present invention is a PEM fuel cell stack, the at least two PEM fuel cells as disclosed above are, has.

Die erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel besitzen den Vorteil, dass die Brennstoffzellen, aus denen sie bestehen, aufgrund der erfindungsgemäßen GDE, eine verbesserte Leistung aufweisen, sodass der Brennstoffzellenstapel insgesamt eine verbesserte Leistung bringt.The Fuel cell stack according to the invention have the advantage that the fuel cells that compose them due to the GDE according to the invention, have improved performance, so that the fuel cell stack Overall, an improved performance brings.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel ist, dass sie zuverlässiger arbeiten, d.h. mit weniger Ausfällen oder Defekten, da die Gefahr durch potentielle Fehlerquellen wie z.B. Durchschmelzen von PEMs infolge hot spots, Korrosion durch Ausgleichsströme oder Umpolung, Reißen von PEMs durch Austrocknung, Ablösung von Werkstoffen wie z.B. Dichtungsmaterialien durch thermischer oder chemischer Belastung, reduziert ist.One Another advantage of the fuel cell stack according to the invention is that she is more reliable work, i. with fewer failures or defects, as the risk of potential sources of error such as e.g. Melting of PEMs as a result of hot spots, corrosion due to equalizing currents or umpolung, tearing of PEMs due to dehydration, detachment of materials such as e.g. Sealing materials by thermal or chemical stress, is reduced.

Ein weiterer vorteilhafter Aspekt der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel ist, dass damit nicht nur Stacks mit verbesserter Leistung zur Verfügung stehen, sondern dass diese Stacks bei gleichem Bauvolumen eine höhere Leistung bringen, d.h. eine höhere Leistungsdichte aufweisen. Dies eröffnet gleichzeitig die Möglichkeit, Stacks mit kleinerem Bauvolumen und gleicher Leistungsdichte herzustellen, was zum einen hinsichtlich der Kosten vorteilhaft ist und zum anderen bei Anwendungen, bei denen wenig Platz zur Verfügung steht, insbesondere bei mobilen Anwendungen, z.B. im Bereich von Fahrzeugen.One Another advantageous aspect of the fuel cell stack according to the invention is that not only stacks with improved performance are available, but that these stacks with the same volume of construction a higher performance bring, i. a higher one Have power density. This also opens up the possibility Produce stacks with a smaller construction volume and the same power density, which is advantageous in terms of cost and on the other hand in applications where space is limited, especially for mobile applications, e.g. in the area of vehicles.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:The The invention will be explained in more detail with reference to the following drawings. there demonstrate:

1 schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen GDE mit einer Variante eines Konzentrationsgradienten eines Hydrophobierungsmittels; 1 schematic representation of a GDE according to the invention with a variant of a concentration gradient of a hydrophobing agent;

2 i-U-Kennlinien bzw. T-U-Kennlinien zweier MEA, die erfindungsgemäße GDE enthalten, wobei die GDE unterschiedliche Strukturen für die Beeinflussung physikalischer Eigenschaften aufweisen. 2 iU characteristic curves or TU characteristics of two MEAs which contain GDE according to the invention, wherein the GDEs have different structures for influencing physical properties.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schnitts durch eine beispielhafte GDE (4). Die GDE besteht in diesem Beispiel aus zwei GDL (1) und (2), wobei die obere GDL (1) einem Reaktionsstoff zugewandt ist, und die untere GDL (2) einer PEM bzw. einer Katalysatorschicht (beide nicht dargestellt). Die GDE ist z.B. als Elektrode für eine MEA einer PEM-BZ vorgesehen. Über die Darstellung dieser GDE (4) ist ein Diagramm gelegt, in dem die Konzentration eines chemischen Stoffes, beispielsweise eines Hydrophobierungsmittels wie PTFE, in Gew.-% gegen die Schichtdicke der GDE (4) in mm aufgetragen ist. Die Darstellung zeigt also gewissermaßen ein Tiefenprofil des Konzentrationsgradienten (8) in einer Richtung senkrecht zur Oberseite einer erfindungsgemäßen GDE. In diesem Beispiel beginnt der Verlauf des Konzentrationsgradienten (8) an der Oberseite der GDE (4) bei etwa 0 Gew.-%, nimmt dann linear zu bis zur Phasengrenze (5) zwischen den GDL (1) und (2), durchläuft dann eine Unstetigkeitsstelle, nämlich den Knick (3) nimmt dann stärker nichtlinear zu, durchläuft dann ein Maximum (7), nimmt dann nichtlinear ab bis zur Unterseite der GDL (2), die einer PEM bzw. einer Katalysatorschicht zugewandt ist (beide nicht dargestellt), und erreicht dort eine zweite Unstetigkeitsstelle, nämlich den Sprung (6), an der die Konzentration sprunghaft auf etwa 0 Gew.-% nichtlinear abnimmt. Der Verlauf des Konzentrationsgradienten (8) endet an dieser Stelle. Insgesamt weist der Verlauf des Konzentrationsgradienten (8) drei Abschnitte auf: 1. linear zunehmend; 2. nichtlinear (annähernd quadratisch) zunehmend; 3. nichtlinear (annähernd quadratisch) abnehmend. 1 2 shows a schematic representation of a section through an exemplary GDE (FIG. 4 ). The GDE consists in this example of two GDLs ( 1 ) and ( 2 ), with the upper GDL ( 1 ) faces a reactant, and the lower GDL ( 2 ) of a PEM or a catalyst layer (both not shown). The GDE is provided, for example, as an electrode for an MEA of a PEM-BZ. About the presentation of this GDE ( 4 ) is a diagram in which the concentration of a chemical substance, for example of a hydrophobing agent such as PTFE, in% by weight against the layer thickness of the GDE ( 4 ) is plotted in mm. The representation thus shows, as it were, a depth profile of the concentration gradient ( 8th ) in a direction perpendicular to the top of a GDE according to the invention. In this example, the course of the concentration gradient ( 8th ) at the top of the GDE ( 4 ) at about 0 wt .-%, then increases linearly to the phase boundary ( 5 ) between the GDLs ( 1 ) and ( 2 ), then goes through a point of discontinuity, namely the kink ( 3 ) then increases more non-linearly, then goes through a maximum ( 7 ), then decreases nonlinearly to the bottom of the GDL ( 2 ), which faces a PEM or a catalyst layer (both not shown), and reaches there a second point of discontinuity, namely the jump ( 6 ), at which the concentration decreases abruptly to about 0 wt .-% nonlinear. The course of the concentration gradient ( 8th ) ends at this point. Overall, the course of the concentration gradient ( 8th ) three sections: 1. linearly increasing; 2. increasing non-linear (nearly square); 3. decreasing non-linear (approximately square).

Ist der chemische Stoff ein Hydrophobierungsmittel, dann bewirkt der dargestellte Konzentrationsverlauf Folgendes. Durch das Konzentrationsmaximum (7), das gleichfalls ein Hydrophobizitätsmaximum ist, da Konzentration und Hydrophobizität zu einander proportional sind, wird an der Unterseite der GDL (2), d.h. an der PEM bzw. Katalysatorschicht, entstehendes Wasser an einer Diffusion zur oberen Grenze der GDL (1) gehindert und dadurch teilweise, zur Befeuchtung der PEM, zurückgehalten. Dadurch, dass die Hydrophobizität an der Grenze zur PEM bzw. Katalysatorschicht (Unterseite der GDL (2)) zunächst auf einem verhältnismäßig geringen Wert beginnt, kann aber ein Teil des an der PEM bzw. Katalysatorschicht entstehenden Wassers in die GDE (4) eindringen, sodass die PEM bzw. Katalysatorschicht nicht mit Wasser geflutet wird („absäuft"), aber, solange nur geringe Mengen an H2O vorhanden sind, das Hydrophobizitätsmaximum (7) zunächst nicht in nennenswerten Mengen überwinden. Erst wenn größere Mengen an H2O vorliegen, beispielsweise H2O, das bei der elektrochemischen Reaktion entsteht, wird die treibende Kraft für die Diffusion von H2O in Richtung obere Oberseite der GDL (2) so groß, dass größere Mengen an H2O das Hydrophobizitätsmaximum (7) überwinden können.If the chemical is a hydrophobing agent, then the concentration curve shown causes the following. By the concentration maximum ( 7 ), which is also a hydrophobicity maximum, since concentration and hydrophobicity are proportional to each other, is at the bottom of the GDL ( 2 ), ie at the PEM or catalyst layer, resulting water at a diffusion to the upper limit of the GDL ( 1 ) and thereby partially restrained for moistening the PEM. Due to the fact that the hydrophobicity at the boundary to the PEM or catalyst layer (lower side of the GDL ( 2 )) initially starts at a relatively low value, but part of the water formed at the PEM or catalyst layer can be introduced into the GDE (FIG. 4 ), so that the PEM or catalyst layer is not flooded with water, but, as long as only small amounts of H 2 O are present, the hydrophobicity maximum ( 7 ) initially do not overcome in significant quantities. Only when larger amounts of H 2 O are present, for example H 2 O, which is formed during the electrochemical reaction, the driving force for the diffusion of H 2 O in the upper top direction of the GDL ( 2 ) so large that larger amounts of H 2 O have the hydrophobicity maximum ( 7 ) can overcome.

Der Bereich zwischen Konzentrationssprung (6) und Hydrophobizitätsmaximum (7) wirkt daher als Wasserreservoir, während das Hydrophobizitätsmaximum (7) wie ein Überdruckventil für H2O bzw. H2O-Dampf wirkt. Es versteht sich, dass die Konzentration im Hydrophobizitätsmaximum (7) sorgfältig gewählt werden muss, um einerseits eine gute Befeuchtung der PEM zu erzielen und andererseits ein Fluten der PEM bzw. Katalysatorschicht zu verhindern. Innerhalb dieser Grenzwerte lässt sich jedoch der Druck, bei dem das "Überdruckventil" öffnet gut variieren.The area between concentration leaps ( 6 ) and hydrophobicity maximum ( 7 ) therefore acts as a water reservoir, while the hydrophobicity maximum ( 7 ) acts like a pressure relief valve for H 2 O or H 2 O vapor. It is understood that the concentration in the hydrophobicity maximum ( 7 ) must be carefully chosen, on the one hand to achieve a good moistening of the PEM and on the other hand to prevent flooding of the PEM or catalyst layer. Within these limits, however, the pressure at which the "pressure relief valve" opens can vary well.

Das vorstehend Erläuterte kann man sich, unter Berücksichtigung der Tatsache, dass es den H2O-Molekülen bei höheren Temperaturen aufgrund der erhöhten Brown'schen Molekularbewegung leichter gelingt, das Hydrophobizitätsmaximum (7) zu überwinden, wie folgt zu nutze machen.The above explained one can, taking into account the fact that the H 2 O molecules at higher temperatures more easily succeed due to the increased Brownian molecular motion, the Hydrophobizitätsmaximum ( 7 ), to use as follows.

Bei einer GDE, die bei höheren Temperaturen betrieben werden soll, weil sie z.B. in einer wärmeren Brennstoffzelle eingesetzt werden soll, die sich z.B. eher in der Mitte eines Brennstoffzellenstapels befindet, kann man das Hydrophobizitätsmaximum (7) durch Erhöhung der Konzentration des Hydrophobierungsmittels in diesem Bereich, erhöhen. Dadurch wird der Reservoir-Charakter des Bereiches zwischen (6) und (7) verstärkt. Das Resultat ist eine gute Befeuchtung der PEM trotz erhöhter Temperatur.In the case of a GDE, which is to be operated at higher temperatures, for example because it is to be used in a warmer fuel cell, which is located, for example, in the middle of a fuel cell stack, the maximum hydrophobicity ( 7 ) by increasing the concentration of hydrophobing agent in this area. This will change the reservoir character of the area between ( 6 ) and ( 7 ) strengthened. The result is a good humidification of the PEM despite increased temperature.

Andererseits kann man bei einer GDE, die z.B. an den kühleren Rändern eines Brennstoffzellenstapels betrieben werden soll, das Hydrophobizitätsmaximum (7) verringern, was die Entfernung von H2O aus der GDE (4) begünstigt.On the other hand, in the case of a GDE, which is to be operated, for example, at the cooler edges of a fuel cell stack, the maximum hydrophobicity ( 7 ), which reduces the removal of H 2 O from the GDE ( 4 ) favors.

Hat ein H2O-Molekül das Hydrophobizitätsmaximum (7) überwunden, ist es für die GDE, insbesondere für die Befeuchtung der PEM, nutzlos geworden. Nun besteht die Aufgabe solche H2O-Moleküle abzuführen, und zwar insbesondere schnell abzuführen und aus der Brennstoffzelle zu entfernen, um zu verhindern, dass es mit anderen H2O-Molekülen aggregiert (Wasserkondensation, Tröpfchenbildung) und die GDL (1) oder/und (2) verstopft und dadurch die gewünschte Diffusion eines Reaktionsstoffes zur PEM bzw. Katalysatorschicht behindert. Dazu ist der Verlauf des Konzentrationsgradienten (8) so gestaltet, dass für H2O-Moleküle, die das Hydrophobizitätsmaximum (7) überwunden haben, eine hohe Tendenz besteht, zur Oberseite der GDL (1) zu diffundieren und dort den Phasenübergang in den Reaktionsstoff zu vollziehen, um schließlich abtransportiert zu werden. Dazu ist die Konzentration des Hydrophierungsmittels im Inneren der GDE hoch, fällt in Richtung Ober seite der GDL (1) ab und beträgt an der Oberseite der GDL (1) etwa 0 Gew.-%. Der Einfachheit halber ist der Verlauf des Konzentrationsgradienten (8) in diesem Bereich (d.h. in der GDL (1)) in Richtung Oberseite linear gewählt: Ein solcher Verlauf läßt sich leichter realisieren.If an H 2 O molecule has the hydrophobicity maximum ( 7 ), it has become useless for the GDE, especially for moistening the PEM. The object now is to remove such H 2 O molecules, in particular quickly and to remove them from the fuel cell, in order to prevent them from aggregating with other H 2 O molecules (water condensation, droplet formation) and the GDL ( 1 ) or and ( 2 ) and thus obstructs the desired diffusion of a reactant to the PEM or catalyst layer. The course of the concentration gradient ( 8th ) such that for H 2 O molecules which have the hydrophobicity maximum ( 7 ), there is a high tendency to go to the top of the GDL ( 1 ) to diffuse there and to carry out the phase transition into the reactant, to finally be transported away. For this purpose, the concentration of the hydrophilic agent inside the GDE is high, falls towards the top of the GDL ( 1 ) and is at the top of the GDL ( 1 ) about 0% by weight. For the sake of simplicity, the course of the concentration gradient ( 8th ) in this area (ie in the GDL ( 1 )) linearly in the direction of the upper side: such a course can be realized more easily.

Insgesamt bildet der beschriebene Konzentrationsgradient (8) innerhalb der GDL (1) und (2) eine Struktur zur Beeinflussung physikalischer Eigenschaften der GDE, wobei in diesem Beispiel die physikalische Eigenschaft die Hydrophobizität der GDE ist, mit der wiederum das Diffusionsverhalten von H2O-Molekülen gesteuert wird. Die Struktur zur Beeinflussung physikalischer Eigenschaften ist also in diesem Fall auch eine Struktur zur Steuerung des Diffusionsverhaltens von zumindest H2O, eine Diffusionssteuerungsstruktur.Overall, the described concentration gradient ( 8th ) within the GDL ( 1 ) and ( 2 ) a structure for influencing the physical properties of the GDE, in which case the physical property is the hydrophobicity of the GDE is, with which in turn the diffusion behavior of H 2 O molecules is controlled. The structure for influencing physical properties is in this case also a structure for controlling the diffusion behavior of at least H 2 O, a diffusion control structure.

Ein Konzentrationsgradient wie der vorstehend beschriebene Konzentrationsgradient (8) in einer Richtung senkrecht zur Oberseite einer GDE kann natürlich auch in wenigstens einer Richtung parallel zur Oberseite der GDE vorliegen. Ein Konzentrationsgradient in diese Richtung kann aber auch einen anderen, vorbestimmten Verlauf aufweisen.A concentration gradient such as the concentration gradient described above ( 8th ) in a direction perpendicular to the top of a GDE can of course also be present in at least one direction parallel to the top of the GDE. However, a concentration gradient in this direction can also have a different, predetermined course.

In 2 sind die i-U-Kennlinien und die T-U-Kennlinien zweier MEA mit erfindungsgemäßen GDE dargestellt (i = Stromdichte in A/cm2; U = Spannung in mV; T = Temperatur in °C).In 2 the iU characteristic curves and the TU characteristic curves of two MEAs with GDE according to the invention are shown (i = current density in A / cm 2 , U = voltage in mV, T = temperature in ° C).

Dabei handelt es sich um eine erste MEA mit niedrigerem Gehalt an Hydrophobierungsmittel in ihren GDE von etwa 11 Gew.-%, bezogen auf das Hydrophobierungsmittel und die MEA; ihre i-U-Kennlinie ist durch

Figure 00190001
gekennzeichnet und ihre T-U-Kennlinie durch
Figure 00190002
This is a first MEA with a lower content of hydrophobing agent in its GDE of about 11% by weight, based on the hydrophobing agent and the MEA; their iU characteristic is through
Figure 00190001
and their TU characteristic through
Figure 00190002

Ferner handelt es sich dabei um eine zweite MEA mit höherem Gehalt an Hydrophobierungsmittel in ihren GDE von etwa 17 Gew.-%, bezogen auf das Hydrophobierungsmittel und die MEA; ihre i-U-Kennlinien ist durch ✱ gekennzeichnet und ihre T-U-Kennlinie durch ♦.Further this is a second MEA with a higher content of water repellent in their GDE of about 17% by weight, based on the hydrophobing agent and the MEA; their i-U characteristics are marked by ✱ and their T-U characteristic through ♦.

Eine MEA mit erfindungsgemäßen GDE kann nach einem Verfahren hergestellt, das in der deutschen Patentanmeldung der Anmelderin „Verfahren zur Herstellung einer GDE mit Struktur für die Beeinflussung ihrer physikalischen Eigenschaften" ( DE 10254115.9 ) oder „Gasdiffusionselektrode mit Gasdiffusionsschicht mit Schichtdickegradient" ( DE 10254116.7 ), die am selben Tag wie die vorliegende Anmeldung beim DPMA zum Patent angemeldet wurden, offenbart ist. Ein weiteres, in diesem Zusammenhang geeignetes Herstellungsverfahren ist in DE 100 52 189 A1 offenbart.An MEA with GDE according to the invention can be prepared by a process which is described in the applicant's German patent application "Process for the preparation of a GDE having a structure for influencing its physical properties" (US Pat. DE 10254115.9 ) or "gas diffusion electrode with gas diffusion layer with layer thickness gradient" ( DE 10254116.7 ), filed with the DPMA on the same date as the present application, is disclosed. Another production method which is suitable in this context is in DE 100 52 189 A1 disclosed.

Der Unterschied zwischen beiden MEA besteht im wesentlichen in der Konzentration an Hydrophobierungsmittel in Gew.-%, wobei die MEA mit dem höheren Gehalt an Hydrophobierungsmittel ein höheres Hydrophobizitätsmaximum (vgl. 1, (7)) aufweist.The difference between both MEAs consists essentially in the concentration of water repellents in wt .-%, wherein the MEA with the higher content of hydrophobing agent has a higher hydrophobicity maximum (see. 1 , ( 7 )) having.

Wie aus den i-U-Kennlinien erkennbar ist, liefern beide MEA in etwa die gleiche Leistung.As can be seen from the i-U curves, both deliver approximately MEA the same performance.

Wie aus den T-U-Kennlinien erkennbar ist, liefert die erste MEA (geringerer Gehalt an Hydrophobierungsmittel, niedrigeres Hydrophobizitätsmaximum) ihre höchste Leistung bei einer geringeren Temperatur von etwa 79 °C, während die zweite MEA (höherer Gehalt an Hydrophobierungsmittel, höheres Hydrophobizitätsmaximum) ihre höchste Leistung bei etwa 83 °C liefert.As from the T-U curves, the first MEA (lower Content of water repellent, lower hydrophobicity maximum) their highest Performance at a lower temperature of about 79 ° C, while the second MEA (higher Content of water repellent, higher hydrophobicity maximum) their highest Power at about 83 ° C supplies.

Demnach ist es vorteilhaft, die erste MEA bei niedrigeren Temperaturen zu betreiben („Niedertemperatur-MEA"), etwa in einer kühleren Brennstoffzelle an den Enden eines Brennstoffzellenstapels, während es vorteilhaft ist, die zweite MEA bei höheren Temperaturen zu betreiben („Hochtemperatur-MEA"), etwa in einer wärmeren Brennstoffzelle in der Mitte eines Brennstoffzellenstapels.Therefore it is advantageous to use the first MEA at lower temperatures operate ("low-temperature MEA"), approximately in one cooler Fuel cell at the ends of a fuel cell stack while it It is advantageous to operate the second MEA at higher temperatures ("High-temperature MEA"), roughly in one warmer Fuel cell in the middle of a fuel cell stack.

11
obere GDL, einem Reaktionsstoff zugewandtupper GDL, facing a reactant
22
untere GDL, einer PEM bzw. Katalysatorschicht zugewandtlower GDL, facing a PEM or catalyst layer
33
Unstetigkeitsstelle: Knickdiscontinuity: kink
44
GDE (Katalysatorschicht nicht dargestellt)GDE (Catalyst layer not shown)
55
Phasengrenze zwischen (1) und (2)Phase boundary between ( 1 ) and ( 2 )
66
Unstetigkeitsstelle: Sprungdiscontinuity: Leap
77
HydrophobizitätsmaximumHydrophobizitätsmaximum
88th
Konzentrationsgradientconcentration gradient

Claims (11)

Gasdiffusionselektrode (4) einer Membran-Elektroden-Einheit, wobei die Gasdiffusionselektrode (4) aus wenigstens einer Gasdiffusionsschicht (1, 2) und einer Katalysatorschicht gebildet ist, wobei in der wenigstens einen Gasdiffusionsschicht (1, 2) ein Konzentrationsgradient (8) einer die physikalischen Eigenschaften der Gasdiffusionselektrode (4) beeinflussenden chemischen Komponente der Gasdiffusionsschicht (1, 2) ausgebildet ist, und wobei der Konzentrationsgradient (8) der chemischen Komponente der Gasdiffusionsschicht (1, 2) in Richtung senkrecht zur Oberseite der Gasdiffusionselektrode (4) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrationsgradient (8) der chemischen Komponente der Gasdiffusionsschicht (1, 2) darüber hinaus in wenigstens einer Richtung parallel zur Oberseite der Gasdiffusionselektrode (4) ausgebildet ist.Gas diffusion electrode ( 4 ) of a membrane-electrode unit, wherein the gas diffusion electrode ( 4 ) from at least one gas diffusion layer ( 1 . 2 ) and a catalyst layer, wherein in the at least one gas diffusion layer ( 1 . 2 ) a concentration gradient ( 8th ) one of the physical properties of the gas diffusion electrode ( 4 ) influencing chemical component of the gas diffusion layer ( 1 . 2 ), and wherein the concentration gradient ( 8th ) of the chemical component of the gas diffusion layer ( 1 . 2 ) in the direction perpendicular to the top of the gas diffusion electrode ( 4 ), characterized in that the concentration gradient ( 8th ) of the chemical component of the gas diffusion layer ( 1 . 2 ) in at least one direction parallel to the top of the gas diffusion electrode ( 4 ) is trained. Gasdiffusionselektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der wenigstens einen Richtung parallel zur Oberseite der Gasdiffusionselektrode (4) um eine Richtung handelt, die von einer Verbindungslinie gebildet wird, die einen Eingangsport für einen Reaktionsstoff mit einem Ausgangsport für den Reaktionsstoff verbindet.Gas diffusion electrode according to claim 1, characterized in that it is in the at least one direction parallel to the top of the gas diffusion electrode ( 4 ) is a direction formed by a connection line connecting an input port for a reactant with an exit port for the reactant. Gasdiffusionselektrode nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrationsgradient (8) wenigstens zwei Abschnitte aufweist, in denen die Konzentration unterschiedliche Verläufe hat, wobei der Verlauf der Konzentration ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend linear zunehmend, nichtlinear zunehmend, linear abnehmend, nichtlinear abnehmend und konstant bleibend.Gas diffusion electrode according to one of claims 1 or 2, characterized in that the concentration gradient ( 8th ) has at least two sections in which the concentration has different courses, the course of the Kon is selected from the group comprising linearly increasing, nonlinear increasing, decreasing linearly, decreasing nonlinearly and remaining constant. Gasdiffusionselektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrationsgradient (8) einen oder mehrere Sprünge aufweist oder einen oder mehrere Knicke, oder sowohl einen oder mehrere Sprünge als auch einen oder mehrere Knicke.Gas diffusion electrode according to one of claims 1 to 3, characterized in that the concentration gradient ( 8th ) has one or more jumps or one or more kinks, or both one or more jumps and one or more kinks. Gasdiffusionselektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die physikalischen Eigenschaften der Gasdiffusionselektrode (4) beeinflussende Komponente der Gasdiffusionsschicht (1, 2) ein chemischer Stoff ist, der die Permeabilität der Gasdiffusionselektrode (4) für Gase, die Permeabilität der Gasdiffusionselektrode (4) für Flüssigkeiten, das Benetzungsverhalten der Gasdiffusionselektrode (4), die Wärmeleitung der Gasdiffusionselektrode (4), die mechanische Stabilität der Gasdiffusionselektrode (4), die Steifigkeit der Gasdiffusionselektrode (4) und die Verbindbarkeit der Gasdiffusionselektrode (4) mit anderen Materialien beeinflusst.Gas diffusion electrode according to one of claims 1 to 4, characterized in that the physical properties of the gas diffusion electrode ( 4 ) influencing component of the gas diffusion layer ( 1 . 2 ) is a chemical that determines the permeability of the gas diffusion electrode ( 4 ) for gases, the permeability of the gas diffusion electrode ( 4 ) for liquids, the wetting behavior of the gas diffusion electrode ( 4 ), the heat conduction of the gas diffusion electrode ( 4 ), the mechanical stability of the gas diffusion electrode ( 4 ), the rigidity of the gas diffusion electrode ( 4 ) and the connectivity of the gas diffusion electrode ( 4 ) influenced with other materials. Gasdiffusionselektrode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die physikalischen Eigenschaften der Gasdiffusionselektrode (4) beeinflussende Komponente der Gasdiffusionsschicht (1, 2) ein chemischer Stoff ist, der die Permeabilität der Gasdiffusionselektrode (4) für Gase und Flüssigkeiten, vorzugsweise die Permeabilität der Gasdiffusionselektrode (4) für Wasser, besonders bevorzugt die Permeabilität der Gasdiffusionselektrode (4) für Wasserdampf beeinflusst.Gas diffusion electrode according to claim 5, characterized in that the physical properties of the gas diffusion electrode ( 4 ) influencing component of the gas diffusion layer ( 1 . 2 ) is a chemical that determines the permeability of the gas diffusion electrode ( 4 ) for gases and liquids, preferably the permeability of the gas diffusion electrode ( 4 ) for water, more preferably the permeability of the gas diffusion electrode ( 4 ) for water vapor. Gasdiffusionselektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die die physikalischen Eigenschaften der Gasdiffusionselektrode (4) beeinflussende Komponente der Gasdiffusionsschicht (1, 2) ein chemischer Stoff ist, der aus der Gruppe der Hydrophobierungsmittel, der Porenbildner, Ruß und Graphit ausgewählt ist.Gas diffusion electrode according to one of claims 1 to 6, characterized in that the physical properties of the gas diffusion electrode ( 4 ) influencing component of the gas diffusion layer ( 1 . 2 ) is a chemical substance selected from the group of water repellents, pore formers, carbon black and graphite. Gasdiffusionselektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die die physikalischen Eigenschaften der Gasdiffusionselektrode (4) beeinflussende Komponente der Gasdiffusionsschicht (1, 2) ein Hydrophobierungsmittel ist und aus der Gruppe der perfluorierten polymeren Kohlenwasserstoffe, vorzugsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), und der fluorierten polymeren Sulfonsäuren, vorzugsweise Nafion, ausgewählt ist.Gas diffusion electrode according to one of claims 1 to 7, characterized in that the physical properties of the gas diffusion electrode ( 4 ) influencing component of the gas diffusion layer ( 1 . 2 ) is a hydrophobing agent and is selected from the group of perfluorinated polymeric hydrocarbons, preferably polytetrafluoroethylene (PTFE), and the fluorinated polymeric sulfonic acids, preferably Nafion. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle wenigstens eine Gasdiffusionselektrode (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.Polymer electrolyte membrane fuel cell, characterized in that the polymer electrolyte membrane fuel cell at least one gas diffusion electrode ( 4 ) according to one of claims 1 to 8. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenstapel, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenstapel wenigstens zwei Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen gemäss Anspruch 9 aufweist.Polymer electrolyte membrane fuel cell stack, characterized in that the polymer electrolyte membrane fuel cell stack at least two polymer electrolyte membrane fuel cells according to claim 9 has. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenstapel unterschiedliche Gasdiffusionselektroden (4) aufweist, wobei die Gasdiffusionselektroden (4) sich in den Verläufen ihrer Konzentrationsgradienten (8) unterscheiden.A polymer electrolyte membrane fuel cell stack according to claim 10, characterized in that the polymer electrolyte membrane fuel cell stack comprises different gas diffusion electrodes ( 4 ), wherein the gas diffusion electrodes ( 4 ) in the course of their concentration gradients ( 8th ).
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19737389A1 (en) * 1996-08-27 1998-03-12 Univ New York State Res Found Gas diffusion electrodes based on polyethersulfone-carbon mixtures
DE19709199A1 (en) * 1997-03-06 1998-09-17 Magnet Motor Gmbh Gas diffusion electrode with reduced diffusivity for water and method for operating a polymer electrolyte membrane fuel cell without supplying membrane dampening water
DE19962686A1 (en) * 1999-12-23 2001-07-26 Siemens Ag Membrane electrode unit for a fuel cell and manufacturing process therefor
DE10056537A1 (en) * 2000-11-15 2002-06-20 Mtu Friedrichshafen Gmbh Fuel cell has an anode and cathode whose reactivity varies with the progression of the fuel gas stream from the anode inlet to the anode outlet and/or with the progression of the cathode

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19737389A1 (en) * 1996-08-27 1998-03-12 Univ New York State Res Found Gas diffusion electrodes based on polyethersulfone-carbon mixtures
DE19709199A1 (en) * 1997-03-06 1998-09-17 Magnet Motor Gmbh Gas diffusion electrode with reduced diffusivity for water and method for operating a polymer electrolyte membrane fuel cell without supplying membrane dampening water
DE19962686A1 (en) * 1999-12-23 2001-07-26 Siemens Ag Membrane electrode unit for a fuel cell and manufacturing process therefor
DE10056537A1 (en) * 2000-11-15 2002-06-20 Mtu Friedrichshafen Gmbh Fuel cell has an anode and cathode whose reactivity varies with the progression of the fuel gas stream from the anode inlet to the anode outlet and/or with the progression of the cathode

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