WO2000052775A1 - Fuel cell electrode - Google Patents

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WO2000052775A1
WO2000052775A1 PCT/DE2000/000577 DE0000577W WO0052775A1 WO 2000052775 A1 WO2000052775 A1 WO 2000052775A1 DE 0000577 W DE0000577 W DE 0000577W WO 0052775 A1 WO0052775 A1 WO 0052775A1
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WO
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fuel
fuel cell
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power line
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PCT/DE2000/000577
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Andrey Kulikovsky
Jiri Divisek
Alexey Kornyshev
Hans-Friedrich Oetjen
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell electrode with fuel channels and power line bars or with a connecting element which has fuel channels and power line bars, as well as with a porous layer and catalyst.
  • the invention further relates to a method for producing a fuel cell electrode as claimed and to the use of the fuel cell electrode as claimed in the generation of energy by electrochemical conversion of a fuel in a fuel cell.
  • a fuel cell has an anode, an electrolyte and a cathode.
  • the cathode becomes an oxidizing agent, e.g. Air and the anode becomes a fuel, e.g. B. hydrogen or methanol.
  • the cathode and anode of a fuel cell generally have a continuous porosity so that the two operating materials, the oxidizing agent and the fuel, can be supplied to the active areas of the electrodes.
  • Platinum or a platinum / ruthenium alloy is preferably used as the anode material. Platinum serves as the preferred material as the cathode.
  • the anode and cathode material can be integrated into the membrane electrode assembly (MEA) by a method as described in DE PS 4241150.
  • a catalytic converter coating with precious metals, which causes complete fuel consumption, is disadvantageously very expensive.
  • the fuel conversion is incomplete. This leads, as for example with the methanol Fuel cell, disadvantageous for the diffusion of the unreacted fuel to the cathode, where there is an inhibition of the cathode reaction.
  • German patent application with the official file number 198 12 498.8-45 describes a method for the material-saving production of electrodes for a low-temperature fuel cell.
  • a mixture comprising the catalyst material is applied to a support.
  • the carrier is penetrated by radiation during the application.
  • the absorption of the radiation which changes during the application is registered and controls the further application of the mixture.
  • the American patent US 52 11 984 describes a method for the material-saving production of electrodes for a low-temperature fuel cell.
  • a membrane is converted into cationic form by ion exchange, a suspension containing Pt is applied in a thin layer directly to the membrane, and converted back to the protonic form after a temperature treatment.
  • the following American patent US Pat. No. 5,234,777 describes the production of a powerful membrane electrode unit with a minimal catalyst coverage of less than 0.35 mg Pt / cm 2 , the increased thermoplasticity resulting from the ion exchange is used.
  • the object of the invention is a further inexpensive
  • the fuel cell electrode according to the invention has a connecting element, e.g. a suitably structured bipolar plate in which there are fuel channels and power line bridges.
  • the fuel channels distribute the fuel, e.g. Methanol or hydrogen, while the current is conducted to or from the electrode via the current conducting webs.
  • the fuel cell electrode according to the claims also has a porous layer, which adjoins the connecting element, and a catalyst. In the porous layer, an operating medium, a fuel or an oxidizing agent, such as e.g. Oxygen or air, the respective active areas supplied so that an electrochemical reaction can take place.
  • the fuel channels can, for example, also be integrated in the porous layer of the electrode, with the spaces between the fuel channels taking over the function of the power line webs.
  • the catalyst is located in or on the porous layer opposite the connecting element. In the case of the fuel channels integrated in the porous layer, it is located in or on one side of the porous layer. Platinum, palladium or platinum-ruthenium alloys, for example, are used as suitable catalysts.
  • the concentration of the catalyst or the amount in or on the porous layer is not constant, but varies depending on the position of the operating material channels and / or the power line webs. It is precisely the areas of the positive layer that faces the fuel channels with a different concentration or amount of catalyst than the areas that face the power line webs.
  • This different coating with catalyst means that during fuel line operation the electrodes, depending on the amount of catalyst used, show good activity despite the reduced use of material.
  • the catalyst is only used where it makes a significant contribution to increasing the electrochemical conversion.
  • the optimized use of the catalytic converter results in an insignificantly reduced sales performance (max. 5%) of the entire fuel cell with a significant saving in the amount of catalyst to be used.
  • the concentration or the amount of catalyst varies by at least 20% by weight, in particular by 30% by weight. Such a variation ensures improved utilization of the catalyst, since the areas are only covered with catalyst according to their conversion rates.
  • An embodiment of the fuel cell electrode in which the concentration or the amount is advantageous is also advantageous of the catalyst fluctuatingly fluctuates along the level of the fuel channel / line webs, in particular periodically according to the position of the fuel channels or the power line webs.
  • Periodically means that the concentration or the amount of the catalyst assumes the same values for correspondingly recurring areas, for example for areas that lie opposite the fuel channels.
  • Such a periodic assignment is, for example, a defined concentration or amount of catalyst (K1) in the areas that are opposite the fuel channels, and another, for example lower concentration or amount of catalyst (K2) in the areas that are each opposite the power line bridges.
  • the applied catalyst alone, or a mixture containing the catalyst forms a layer (catalyst layer) on the porous layer of the electrode.
  • This form of catalyst coverage makes it possible to achieve the claimed concentration or quantity differences in catalyst particularly easily by means of different layer thicknesses of the catalyst layer. Different layer thicknesses can be achieved, for example, by using masks when applying the catalyst material. Another option is to first create a uniform catalytic converter Apply gate layer and then remove certain areas from this layer.
  • An advantageous embodiment of the fuel cell electrode according to the invention has a lower concentration of catalyst in the areas of the porous layer that lie opposite the fuel channels than in the areas that lie opposite the flow channels.
  • This configuration is advantageously used in a fuel cell in cases where the diffusion of the fuel gas is high during operation. Diffusion of the fuel gas is understood to mean the mass transport of the fuel gas from the fuel channels into the porous layer.
  • a high degree of diffusion occurs when the distribution of the electrochemically active substance within the porous layer of the electrode varies by less than 20% between the areas under the fuel channels and the areas under the landings during fuel line operation.
  • the areas of catalyst material that lie opposite the fuel channels can be removed.
  • a further advantageous embodiment of the fuel cell electrode according to the claims has a higher concentration of catalyst in the areas of the porous layer that lie opposite the fuel channels than in the areas that lie opposite the flow channels.
  • This configuration is particularly advantageous in the case of low diffusion rates of the fuel gas in the porous layer during fuel cell operation.
  • a low diffusion occurs when the distribution of the electrochemically active substance within the porous layer of the electrode varies by more than 50% between the areas under the fuel channels and the areas under the landings during fuel line operation.
  • the areas of catalyst material that lie opposite the current conduction webs can be removed.
  • the chemical conversion essentially takes place in the areas opposite the fuel channels. Therefore, catalyst material which is located opposite the power line webs can be warped because it does not contribute to increasing the cell output.
  • a catalyst in a uniform concentration tration or amount applied and then completely or partially removed from defined areas is applied and then completely or partially removed from defined areas. This subsequent removal can specifically save catalyst in the areas which have only a low conversion rate.
  • the removed catalyst can continue to be used.
  • the catalyst is applied in a fluctuating manner, for example with the aid of a mask, so that only as much catalyst material is used as is required for the coating.
  • the conversion rate of the fuel cell electrode according to the claims is improved based on the amount of catalyst used.
  • the invention is illustrated by four figures. Shown
  • Fig. 3 models for reducing the amount of catalyst to be used with sophisticated optimized fuel cell electrodes.
  • FIG. 4 Comparison of the dependencies of the cathodic overvoltage on the current density of a DMFC fuel cell when using the 100% catalyst quantity versus 50% of the catalyst quantity on the cathodic side of the cell. Catalyst was removed from the areas opposite the fuel channels.
  • a high conductivity in the sense of the invention is
  • This figure schematically represents a fuel cell electrode in which the porous layer has a low conductivity and a high diffusivity for the fuel gas and in which the catalyst concentration is constant (100% Pt).
  • the porous layer On the right is a connecting element with a fuel channel BK and two power line webs SS. This is followed on the left by the porous layer with a high conductivity.
  • the catalyst layer On the far left is the catalyst layer (100% Pt).
  • a contour plot is entered in this catalyst layer, in which the axes represent the 2-dimensional position in the catalyst layer in the electrode.
  • a fuel cell electrode is also shown here, in which the porous layer has a high conductivity and a high diffusivity for the fuel gas.
  • two different contour plots are entered here, which reflect the conditions under two conditions.
  • the left contour plot corresponds to the conditions for a catalyst layer with a constant concentration (100% Pt).
  • the contour lines run uniformly almost parallel to the porous layer and have maximum conversion rates of 700 mA / cm 3 .
  • FIGS. 3a and 3b schematically show two advantageous embodiments of the fuel cell electrode according to the invention with an applied membrane layer, in which catalyst material has in each case been removed from the areas in which it makes only an insignificant contribution to cell performance.
  • the membrane electrode arrangement (MEA) in FIG. 3a is advantageous for an electronic trode, which has a porous layer through which the reaction gas can diffuse well.
  • the implementation takes place predominantly in the areas opposite the power line webs, so that there is no need for a catalyst in the area opposite the fuel channel.
  • the porous layer in the membrane electrode arrangement (MEA) in FIG. 3b has a low diffusivity for the reaction gas.
  • the implementation takes place predominantly in the area opposite the fuel channel, so that in this case there is no need for a catalyst in the areas opposite the power line webs.
  • This graph shows the dependencies of the cathodic overvoltage on the current density of a DMFC fuel cell when using the 100% catalyst quantity versus 50% of the catalyst quantity on the cathodic side of the cell.
  • the catalyst was removed from the areas that lie opposite the fuel channels.
  • the curves represent the slight reduction in the energy yield as a reduction in the cell voltage as a result of the potential losses.
  • the cell losses (potential losses) are clearly below 5% at a current density of 0.4 A / cm 2 .

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Abstract

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

Description

B e s c h r e i b u n g Description
Brennstoff zellen-ElektrodeFuel cell electrode
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellen-Elektrode mit Betriebsstoffkanälen und Stromleitungsstegen oder mit einem Verbindungselement, welches Betriebsstoffka- näle und Stromleitungsstege aufweist, sowie mit einer porösen Schicht und Katalysator. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer anspruchsgemäßen Brennstoffzellen-Elektrode sowie die Verwendung der anspruchsgemäßen Brennstoffzellen-Elektrode bei der Energieerzeugung durch elektrochemische Umsetzung eines Brennstoffs in einer Brennstoffzelle.The invention relates to a fuel cell electrode with fuel channels and power line bars or with a connecting element which has fuel channels and power line bars, as well as with a porous layer and catalyst. The invention further relates to a method for producing a fuel cell electrode as claimed and to the use of the fuel cell electrode as claimed in the generation of energy by electrochemical conversion of a fuel in a fuel cell.
Eine Brennstoffzelle weist eine Anode, einen Elektrolyten und eine Kathode auf. Der Kathode wird ein Oxidati- onsmittel, z.B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff oder Methanol zugeführt. Kathode und Anode einer Brennstoffzelle weisen in der Regel eine durchgehende Porosität auf, damit die beiden Betriebsstoffe, das Oxidationsmittel und der Brennstoff, den aktiven Bereichen der Elektroden zugeführt werden kön- nen. Als Anodenmaterial wird bevorzugt Platin oder eine Platin/Ruthenium-Legierung verwendet. Als Kathode dient als bevorzugtes Material Platin. Das Anoden- und Kathodenmaterial kann nach einem Verfahren, wie es in DE PS 4241150 beschrieben wird, in die Membran-Elektroden-An- Ordnung (MEA) integriert werden.A fuel cell has an anode, an electrolyte and a cathode. The cathode becomes an oxidizing agent, e.g. Air and the anode becomes a fuel, e.g. B. hydrogen or methanol. The cathode and anode of a fuel cell generally have a continuous porosity so that the two operating materials, the oxidizing agent and the fuel, can be supplied to the active areas of the electrodes. Platinum or a platinum / ruthenium alloy is preferably used as the anode material. Platinum serves as the preferred material as the cathode. The anode and cathode material can be integrated into the membrane electrode assembly (MEA) by a method as described in DE PS 4241150.
Eine Katalysatorbelegung mit Edelmetallen, die einen vollständigen Brennstoffverbrauch bewirkt, ist nachteilig sehr teuer. Andererseits kommt es bei einer gerin- gen Katalysatorbelegung nur zu unvollständigem Brennstoffumsatz. Dies führt, wie z.B. bei der Methanol- Brennstoffzelle, nachteilig zur Diffusion des nicht umgesetzten Brennstoffs zur Kathode, wo es zur Hemmung der Kathodenreaktion kommt.A catalytic converter coating with precious metals, which causes complete fuel consumption, is disadvantageously very expensive. On the other hand, with a low catalyst occupancy, the fuel conversion is incomplete. This leads, as for example with the methanol Fuel cell, disadvantageous for the diffusion of the unreacted fuel to the cathode, where there is an inhibition of the cathode reaction.
In der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 198 12 498.8-45 wird ein Verfahren zur materialsparenden Herstellung von Elektroden für eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle beschrieben. Hierbei wird eine das Katalysatormaterial aufweisende Mischung auf einen Trager aufgebracht. Der Trager wird wahrend des Aufbringens von einer Strahlung durchdrungen. Die sich wahrend des Auftragens ändernde Absorption der Strahlung wird registriert und steuert die weitere Auftragung der Mischung.The German patent application with the official file number 198 12 498.8-45 describes a method for the material-saving production of electrodes for a low-temperature fuel cell. In this case, a mixture comprising the catalyst material is applied to a support. The carrier is penetrated by radiation during the application. The absorption of the radiation which changes during the application is registered and controls the further application of the mixture.
In dem amerikanischen Patent US 52 11 984 wird ein Verfahren zur materialsparenden Herstellung von Elektroden für eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle beschrieben. Hierbei wird eine Membran durch Ionenaustausch in ka- tionische Form überfuhrt, eine Pt enthaltene Suspension in dunner Schicht direkt auf die Membran aufgetragen, und nach einer Temperaturbehandlung zurück in die protonische Form konvertiert. Ausgehend von dieser Schicht wird in dem nachfolgenden amerikanischen Patent US PS 52 34 777 die Herstellung einer leistungsfähigen Membran-Elektroden-Einheit mit minimaler Katalysatorbelegung von weniger als 0,35 mg Pt/cm2 beschrieben, wobei die durch den Ionenaustausch erfolgte erhöhte Ther- moplastizitat benutzt wird.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 suspension containing Pt is applied in a thin layer directly to the membrane, and converted back to the protonic form after a temperature treatment. Starting from this layer, the following American patent US Pat. No. 5,234,777 describes the production of a powerful membrane electrode unit with a minimal catalyst coverage of less than 0.35 mg Pt / cm 2 , the increased thermoplasticity resulting from the ion exchange is used.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine weitere preiswerteThe object of the invention is a further inexpensive
Brennstoffzellen-Elektrode zu schaffen, die eine sehr gute Aktivität für den Brennstoffzellenumsatz aufweist, sowie ein Verfahren bereitzustellen, um eine solche an- spruchsgemäße Brennstoffzellen-Elektrode herzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den rückbezogenen Ansprüchen.To create a fuel cell electrode which has a very good activity for the fuel cell turnover, and to provide a method for producing such a fuel cell electrode as claimed. The object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to the independent claim. Advantageous designs result from the related claims.
Anspruch 1Claim 1
Die anspruchsgemäße Brennstoffzellen-Elektrode weist ein Verbindungselement auf, z.B. eine geeignet strukturierte bipolare Platte, in der Betriebsstoffkanäle und Stromleitungsstege vorhanden sind. Die Betriebsstoffkanäle verteilen den Betriebsstoff, z.B. Methanol oder Wasserstoff, während über die Stromleitungsstege der Strom der Elektrode zu- bzw. von ihr fortgeleitet wird. Die anspruchsgemäße Brennstoffzellen-Elektrode weist ferner eine poröse Schicht, die an das Verbindungselement angrenzt, und Katalysator auf. In der porösen Schicht wird ein Betriebsmittel, ein Brennstoff oder ein Oxidationsmittel, wie z.B. Sauerstoff oder Luft, den jeweils aktiven Bereichen zugeführt, so daß eine elektrochemische Umsetzung stattfinden kann.The fuel cell electrode according to the invention has a connecting element, e.g. a suitably structured bipolar plate in which there are fuel channels and power line bridges. The fuel channels distribute the fuel, e.g. Methanol or hydrogen, while the current is conducted to or from the electrode via the current conducting webs. The fuel cell electrode according to the claims also has a porous layer, which adjoins the connecting element, and a catalyst. In the porous layer, an operating medium, a fuel or an oxidizing agent, such as e.g. Oxygen or air, the respective active areas supplied so that an electrochemical reaction can take place.
Die Betriebsstoffkanäle können aber beispielsweise auch in der porösen Schicht der Elektrode integriert sein, wobei die Zwischenräume zwischen den Betriebsstoffkanä- len die Funktion der Stromleitungsstege übernehmen. Der Katalysator befindet sich in oder auf der porösen Schicht gegenüber dem Verbindungselement. Im Fall der in der porösen Schicht integrierten Brennstoffkanäle befindet er sich in oder auf einer Seite der porösen Schicht. Als geeignete Katalysatoren werden beispiels- weise Platin, Palladium oder Platin-Ruthenium-Legierungen eingesetzt. Die Konzentration des Katalysators bzw. die Menge in bzw. auf der porösen Schicht ist nicht konstant, sondern variiert in Abhängigkeit von der Position der Betriebsstoffkanäle und/oder der Stromlei- tungsstege. Vorteilhaft sind genau die Bereiche der po- rösen Schicht, die den Betriebsstoffkanälen gegenüberliegen, mit einer anderen Konzentration bzw. Menge an Katalysator belegt, als die Bereiche, die den Stromleitungsstegen gegenüberliegen.The fuel channels can, for example, also be integrated in the porous layer of the electrode, with the spaces between the fuel channels taking over the function of the power line webs. The catalyst is located in or on the porous layer opposite the connecting element. In the case of the fuel channels integrated in the porous layer, it is located in or on one side of the porous layer. Platinum, palladium or platinum-ruthenium alloys, for example, are used as suitable catalysts. The concentration of the catalyst or the amount in or on the porous layer is not constant, but varies depending on the position of the operating material channels and / or the power line webs. It is precisely the areas of the positive layer that faces the fuel channels with a different concentration or amount of catalyst than the areas that face the power line webs.
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.Only those areas of the electrode with only a small amount of catalyst which only show a low electrochemical conversion rate should be covered. The suitable variation according to claim 1 can be determined by a few experiments.
Diese unterschiedliche Belegung mit Katalysator führt während des BrennstoffZeilenbetriebs dazu, daß die Elektroden in Abhängigkeit von der eingesetzten Kataly- satormenge trotz reduzierten Materialeinsatzes eine gute Aktivität zeigen. Der Katalysator wird nur dort eingesetzt, wo er zur Erhöhung der elektrochemischen Umsetzung wesentlich beiträgt. Der optimierte Einsatz des Katalysators ergibt eine nur unwesentlich verringerte Umsatzleistung (max. 5 %) der gesamten Brennstoffzelle bei deutlicher Einsparung der einzusetzenden Katalysatormenge.This different coating with catalyst means that during fuel line operation the electrodes, depending on the amount of catalyst used, show good activity despite the reduced use of material. The catalyst is only used where it makes a significant contribution to increasing the electrochemical conversion. The optimized use of the catalytic converter results in an insignificantly reduced sales performance (max. 5%) of the entire fuel cell with a significant saving in the amount of catalyst to be used.
Anspruch 2 In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Brennstoffzellen-Elektrode variiert die Konzentration oder die Menge an Katalysator um wenigstens 20 Gew.-%, insbesondere um 30 Gew.-%. Durch eine solche Variation ist eine verbesserte Ausnutzung des Katalysators sichergestellt, da die Bereiche nur entsprechend ihrer Umsatzraten mit Katalysator belegt werden.Claim 2 In an advantageous embodiment of the fuel cell electrode, the concentration or the amount of catalyst varies by at least 20% by weight, in particular by 30% by weight. Such a variation ensures improved utilization of the catalyst, since the areas are only covered with catalyst according to their conversion rates.
Anspruch 3Claim 3
Vorteilhaft ist auch eine Ausführung der Brennstoffzel- len-Elektrode, bei der die Konzentration oder die Menge des Katalysators entlang der Ebene Brennstoffka- nal/Leitungsstege fluktuierend variiert, und zwar insbesondere periodisch entsprechend der Position der Brennstoffkanäle bzw. der Stromleitungsstege. Peri- odisch bedeutet dabei, die Konzentration bzw. die Menge des Katalysators nimmt für entsprechend wiederkehrende Bereiche, z.B. für Bereiche, die den Brennstoffkanälen gegenüberliegen, jeweils gleiche Werte an. Eine solche periodische Belegung ist z.B. eine definierte Konzen- tration bzw. Menge an Katalysator (Kl) in den Bereichen, die jeweils gegenüber den Brennstoffkanälen liegen, und eine andere, z.B. geringere Konzentration bzw. Menge an Katalysator (K2) in den Bereichen, die jeweils gegenüber den Stromleitungsstegen liegen. Diese Fluk- tuation in der Belegung des Katalysators führt zu einer einheitlichen Belegung mit Katalysator in den Bereichen, die einerseits den Brennstoffkanälen und andererseits den Stromleitungsstegen gegenüberliegen. Dadurch werden gleiche Umsetzungsraten in den jeweils gleichen Bereichen erreicht.An embodiment of the fuel cell electrode in which the concentration or the amount is advantageous is also advantageous of the catalyst fluctuatingly fluctuates along the level of the fuel channel / line webs, in particular periodically according to the position of the fuel channels or the power line webs. Periodically means that the concentration or the amount of the catalyst assumes the same values for correspondingly recurring areas, for example for areas that lie opposite the fuel channels. Such a periodic assignment is, for example, a defined concentration or amount of catalyst (K1) in the areas that are opposite the fuel channels, and another, for example lower concentration or amount of catalyst (K2) in the areas that are each opposite the power line bridges. This fluctuation in the occupancy of the catalyst leads to a uniform occupancy with catalyst in the areas which are on the one hand opposite the fuel channels and on the other hand the power line webs. As a result, the same implementation rates are achieved in the same areas.
Anspruch 4Claim 4
In einer vorteilhaften Ausführung der Brennstoffzellen- Elektrode bildet der aufgebrachte Katalysator allein, oder eine Mischung, die den Katalysator enthält, eine Schicht (Katalysatorschicht) auf der porösen Schicht der Elektrode. Diese Form der Katalysatorbelegung ermöglicht es, besonders einfach die anspruchsgemäßen Konzentrations- bzw. Mengenunterschiede an Katalysator durch verschiedene Schichtdicken der Katalysatorschicht zu erzielen. Unterschiedliche Schichtdicken lassen sich z.B. durch Verwendung von Masken bei der Aufbringung des Katalysatormaterials erreichen. Eine weitere Möglichkeit ist es, zunächst eine gleichförmige Katalysa- torschicht aufzubringen und anschließend bestimmte Bereiche aus dieser Schicht zu entfernen.In an advantageous embodiment of the fuel cell electrode, the applied catalyst alone, or a mixture containing the catalyst, forms a layer (catalyst layer) on the porous layer of the electrode. This form of catalyst coverage makes it possible to achieve the claimed concentration or quantity differences in catalyst particularly easily by means of different layer thicknesses of the catalyst layer. Different layer thicknesses can be achieved, for example, by using masks when applying the catalyst material. Another option is to first create a uniform catalytic converter Apply gate layer and then remove certain areas from this layer.
Anspruch 5 Eine vorteilhafte Ausgestaltung der anspruchsgemäßen Brennstoffzellen-Elektrode weist in den Bereichen der porösen Schicht, die den Betriebsstoffkanälen gegenüberliegen, eine geringere Konzentration an Katalysator auf als in den Bereichen, die den Stromkanälen gegen- überliegen. Diese Ausgestaltung wird in einer Brennstoffzelle vorteilhaft in den Fällen eingesetzt, in denen während des Betriebs die Diffusion des Brenngases hoch ist. Unter Diffusion des Brenngases ist der Stofftransport des Brenngases aus den Brennstoffkanälen in die poröse Schicht hinein zu verstehen. Eine hohe Diffusion liegt vor, wenn die Verteilung des elektrochemisch aktiven Stoffes innerhalb der porösen Schicht der Elektrode um weniger als 20% zwischen den Bereichen unter den Be- triebsstoffkanälen und den Bereichen unter den Leitungsstegen während des BrennstoffZeilenbetriebs variiert .Claim 5 An advantageous embodiment of the fuel cell electrode according to the invention has a lower concentration of catalyst in the areas of the porous layer that lie opposite the fuel channels than in the areas that lie opposite the flow channels. This configuration is advantageously used in a fuel cell in cases where the diffusion of the fuel gas is high during operation. Diffusion of the fuel gas is understood to mean the mass transport of the fuel gas from the fuel channels into the porous layer. A high degree of diffusion occurs when the distribution of the electrochemically active substance within the porous layer of the electrode varies by less than 20% between the areas under the fuel channels and the areas under the landings during fuel line operation.
Im Fall eines schichtförmig aufgebrachten Katalysators können beispielsweise jeweils die Bereiche an Katalysa- tormaterial, die den Betriebsstoffkanälen gegenüberliegen, abgetragen werden.In the case of a layered catalyst, for example, the areas of catalyst material that lie opposite the fuel channels can 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. Anspruch 6It has been shown that such an embodiment of the electrode, in which essential parts of the electrode are not or only slightly covered with catalyst, has only insignificantly reduced conversion rates during fuel cell operation. This effect occurs with both high and low conductivity of the porous layer and is therefore independent of it. Claim 6
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der anspruchsgemäßen Brennstoffzellen-Elektrode weist in den Bereichen der porösen Schicht, die den Betriebsstoffkanälen gegenüberliegen, eine höhere Konzentration an Katalysator auf als in den Bereichen, die den Stromkanälen gegenüberliegen. Diese Ausgestaltung ist besonders bei niedrigen Diffusionsraten des Brenngases in der porösen Schicht während des BrennstoffZellenbetriebs vorteil- haft. Eine niedrige Diffusion liegt vor, wenn die Verteilung des elektrochemisch aktiven Stoffes innerhalb der porösen Schicht der Elektrode um mehr als 50% zwischen den Bereichen unter den Betriebsstoffkanälen und den Bereichen unter den Leitungsstegen während des BrennstoffZeilenbetriebs variiert.A further advantageous embodiment of the fuel cell electrode according to the claims has a higher concentration of catalyst in the areas of the porous layer that lie opposite the fuel channels than in the areas that lie opposite the flow channels. This configuration is particularly advantageous in the case of low diffusion rates of the fuel gas in the porous layer during fuel cell operation. A low diffusion occurs when the distribution of the electrochemically active substance within the porous layer of the electrode varies by more than 50% between the areas under the fuel channels and the areas under the landings during fuel line operation.
Im Fall eines schichtförmig aufgebrachten Katalysators können beispielsweise jeweils die Bereiche an Katalysatormaterial, die den Stromleitungsstegen gegenüberliegen, abgetragen werden. Im Fall von niedrigen Diffusionsraten des Brenngases findet die chemische Umsetzung im wesentlichen in den Bereichen statt, die den Betriebsstoffkanälen gegenüberliegen. Daher kann auf Katalysatormaterial, welches sich gegenüber den Stromleitungsstegen befindet, ver- ziehtet werden, da es nicht zur Erhöhung der Zellei- stung beiträgt.In the case of a layered catalyst, for example, the areas of catalyst material that lie opposite the current conduction webs can be removed. In the case of low diffusion rates of the fuel gas, the chemical conversion essentially takes place in the areas opposite the fuel channels. Therefore, catalyst material which is located opposite the power line webs can be warped because it does not contribute to increasing the cell output.
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 advisable to determine the appropriate variation in the individual case by experiment, since the influences of the respective boundary conditions can be very diverse.
Anspruch 7Claim 7
Bei weiteren vorteilhaften Verfahren zur Herstellung der anspruchsgemäßen Brennstoffzellen-Elektrode wird zum einen zunächst Katalysator in einheitlicher Konzen- tration bzw. Menge aufgebracht und anschließend ganz oder teilweise aus definierten Bereichen wieder entfernt. Durch dieses nachträgliche Entfernen kann gezielt Katalysator in den Bereichen eingespart werden, die eine nur geringe Umsatzrate aufweisen. Der entfernte Katalysator kann weiter verwendet werden. Alternativ wird der Katalysator fluktuierend aufgebracht, z.B. mit Hilfe einer Maske, so daß nur gerade soviel Katalysatormaterial verwendet wird, wie zur Belegung erforderlich ist.In the case of further advantageous methods for producing the fuel cell electrode according to the claims, on the one hand a catalyst in a uniform concentration tration or amount applied and then completely or partially removed from defined areas. This subsequent removal can specifically save catalyst in the areas which have only a low conversion rate. The removed catalyst can continue to be used. Alternatively, the catalyst is applied in a fluctuating manner, for example with the aid of a mask, so that only as much catalyst material is used as is required for the coating.
In beiden Fällen wird die Umsatzrate der anspruchsgemäßen Brennstoffzellen-Elektrode bezogen auf die eingesetzte Katalysatormenge verbessert.In both cases, the conversion rate of the fuel cell electrode according to the claims is improved based on the amount of catalyst used.
Die Erfindung wird anhand von vier Figuren näher verdeutlicht. Dabei zeigenThe invention is illustrated by four figures. Show
Fig. 1 Konturlinien der elektrochemischen Umsetzungsrate in [mA/cm3] in der katalytischen Schicht einer Kathode in einer Direkt-Methanol-Brenn- stoffzelle (DMFC) , elektrochemischer Prozeß: 3/2 02 + 6e~ + 6H+ -> 3H20, niedrige Leitfähigkeit der porösen Schicht = 0,53 Ω"1 cm"1, mittlere Stromdichte = 0,4 A/cm2.1 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: 3/2 0 2 + 6e ~ + 6H + -> 3H 2 0, low conductivity of the porous layer = 0.53 Ω "1 cm " 1 , average current density = 0.4 A / cm 2 .
Fig. 2 Konturlinien der elektrochemischen Umsetzungsrate in [mA/cm3] in der katalytischen Schicht einer Kathode in einer DMFC bei konstanter Katalysatorkonzentration (100 % Pt) und bei Entfernung des Katalysators aus dem Bereich gegenüber des Betriebsstoffkanals (0,05<y<0,15 cm) (50 % Pt) , elektrochemischer Prozeß: 3/2 02 + 6e~ + 6H+ ->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 operating material channel (0.05 <y <0 , 15 cm) (50% Pt), electrochemical process: 3/2 0 2 + 6e ~ + 6H + ->
3H20, hohe Leitfähigkeit der porösen Schicht3H 2 0, high conductivity of the porous layer
= 40 Ω"1 cm-1, mittlere Stromdichte = 0,4 A/cm2.= 40 Ω "1 cm -1 , average current density = 0.4 A / cm 2 .
Fig. 3 Modelle zur Verringerung der einzusetzenden Katalysatormenge bei anspruchsgemäßen optimierten Brennstoffzellen-Elektroden.Fig. 3 models for reducing the amount of catalyst to be used with sophisticated optimized fuel cell electrodes.
Fig. 4 Vergleich der Abhängigkeiten der kathodischen Überspannung von der Stromdichte einer DMFC- Brennstoffzelle bei der Anwendung der 100%-Ka- talysatormenge gegenüber 50% der Katalysator- menge auf der kathodischen Seite der Zelle. Katalysator wurde entfernt aus den Bereichen, die gegenüber den Betriebsstoffkanälen liegen.FIG. 4 Comparison of the dependencies of the cathodic overvoltage on the current density of a DMFC fuel cell when using the 100% catalyst quantity versus 50% of the catalyst quantity on the cathodic side of the cell. Catalyst was removed from the areas opposite the fuel channels.
Es hat sich gezeigt, daß eine Ausgestaltung der Elek- trode, bei der wesentliche Teile der Elektrode nicht oder nur gering mit Katalysator belegt sind, nur unwesentlich verringerte Umsatzraten während des Brennstoffzellenbetriebs aufweist.It has been shown that a configuration of the electrode in which essential parts of the electrode are not or only slightly covered with catalyst has only insignificantly reduced conversion rates during fuel cell operation.
Im Fall, daß während des Brennstoffzellenbetriebs das Brenngas eine hohe Diffusionsrate in der porösenIn the event that the fuel gas has a high diffusion rate in the porous during fuel cell operation
Schicht aufweist, tritt dieser Effekt sowohl bei hoher als auch bei niedriger Leitfähigkeit der porösen Schicht auf, wie die Figuren 1 und 2 verdeutlichen. Diese Leitfähigkeit ist im üblichen Sinne definiert als die elektrische Leitfähigkeit eines Festkörpers.Has layer, this effect occurs with both high and low conductivity of the porous layer, as shown in Figures 1 and 2. This conductivity is defined in the usual sense as the electrical conductivity of a solid.
Eine hohe Leitfähigkeit im Sinne der Erfindung ist beiA high conductivity in the sense of the invention is
Werten > 10 Ω-1 cm-1 und eine geringe Leitfähigkeit beiValues> 10 Ω -1 cm -1 and a low conductivity
Werten < 1 Ω-1 cm-1 gegeben. Zu Figur 1Values <1 Ω -1 cm -1 given. To Figure 1
Diese Figur stellt schematisch eine Brennstoffzellen- Elektrode dar, bei der die poröse Schicht eine geringe Leitfähigkeit und eine hohe Diffusivitat für das Brenn- gas aufweist und bei der die Katalysatorkonzentration konstant ist (100 % Pt) . Rechts ist ein Verbindungselement mit einem Betriebsstoffkanal BK und zwei Stromleitungsstegen SS eingezeichnet. Daran schließt sich links die poröse Schicht mit einer hohen Leitfähigkeit an. Ganz links befindet sich die Katalysatorschicht (100 % Pt) . In diese Katalysatorschicht ist ein Konturplot eingetragen, bei dem die Achsen die 2-dimensionale Position in der Katalysatorschicht in der Elektrode wiedergeben. In Abhängigkeit von der 2-dimensionalen Position innerhalb der katalytischen Schicht sind für die Reaktion 3/2 02 + βe" + 6H+ -> 3H20 bei einer mittleren Stromdichte von 0,4 A/cm2 und einer Leitfähigkeit der porösen Schicht von 0,53 Ω_1 cm" elektrochemische Umsatzra- ten berechnet worden.This figure schematically represents a fuel cell electrode in which the porous layer has a low conductivity and a high diffusivity for the fuel gas and in which the catalyst concentration is constant (100% Pt). On the right is a connecting element with a fuel channel BK and two power line webs SS. This is followed on the left by the porous layer with a high conductivity. On the far left is the catalyst layer (100% Pt). A contour plot is entered in this catalyst layer, in which the axes represent the 2-dimensional position in the catalyst layer in the electrode. Depending on the 2-dimensional position within the catalytic layer for the reaction 3/2 0 2 + βe " + 6H + -> 3H 2 0 at 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. Daraus wird ersichtlich, daß bei einer porösen Schicht, die eine niedrige Leitfähigkeit und eine hohe Diffusion für das Brenngas aufweist, der Katalysator in dem Bereich gegenüber des Betriebsstoffkanals kaum einen Beitrag zur Zelleistung beisteuert. Eine Entfernung des Katalysators aus diesem Bereich fuhrt zu einer großen Einsparung an Katalysatormaterial, bei nur unwesentlich geringerer Zelleistung.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 are 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. It can be seen from this that with a porous layer which has a low conductivity and a high diffusion for the fuel gas, the catalyst in the area opposite the fuel channel hardly makes any contribution to the cell performance. Removal of the catalyst from this area leads to a large one Savings in catalyst material, with only insignificantly lower cell performance.
Zu Figur 2 Analog zu Figur 1 ist hier ebenfalls eine Brennstoffzellen-Elektrode dargestellt, bei der die poröse Schicht eine hohe Leitfähigkeit und eine hohe Diffusi- vität für das Brenngas aufweist. Hierbei sind jedoch zwei unterschiedliche Konturplots eingetragen, die die Verhältnisse unter zwei Bedingungen widerspiegeln.As for FIG. 2, 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 Ka- talysator (theoretisch) entfernt wurde, weist nur minimale Umsatzraten auf, während sich in den Bereichen, die den Stromleitungsstegen gegenüberliegen, deutlich erhöhte Umsatzraten bis zu 1700 mA/cm3 zeigen. Die Steigerung der Umsatzrate in diesen Bereichen überwiegt die Verringerung des Umsatzes in den von Katalysator befreiten Bereichen deutlich, (siehe auch Fig.4)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 in the areas opposite the power line webs, significantly increased conversion rates up to 1700 mA / cm 3 are shown. The increase in the turnover rate in these areas clearly outweighs the decrease in the turnover in the areas freed from catalyst (see also FIG. 4).
Zu den Figuren 3a und 3bFigures 3a and 3b
Die Figuren 3a und 3b zeigen schematisch zwei vor- teilhafte Ausführungsformen der anspruchsgemäßen Brennstoffzellen-Elektrode mit aufgebrachter Membranschicht, bei der Katalysatormaterial jeweils aus den Bereichen entfernt wurde, in denen es nur unwesentlich zur Zelleistung beiträgt. Die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) in der Figur 3a ist vorteilhaft für eine Elek- trode, die eine poröse Schicht aufweist, durch die das Reaktionsgas gut diffundieren kann. Hier findet die Umsetzung überwiegend in den Bereichen statt, die den Stromleitungsstegen gegenüberliegen, so daß auf Kataly- sator in dem Bereich, der dem Betriebsstoffkanal gegenüberliegt, verzichtet werden kann.FIGS. 3a and 3b schematically show two advantageous embodiments of the fuel cell electrode according to the invention with an applied membrane layer, in which catalyst material has in each case been removed from the areas in which it makes only an insignificant contribution to cell performance. The membrane electrode arrangement (MEA) in FIG. 3a is advantageous for an electronic trode, which has a porous layer through which the reaction gas can diffuse well. 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 Figur 3b weist eine geringe Diffusivität für das Reaktionsgas auf. Die Umsetzung findet hier überwiegend in dem Bereich statt, der dem Betriebsstoffkanal gegenüberliegt, so daß in diesem Fall auf Katalysator in den Bereichen, die den Stromleitungsstegen gegenüberliegen, verzichtet werden kann.The porous layer in the membrane electrode arrangement (MEA) in FIG. 3b has a low diffusivity for the reaction gas. The implementation takes place predominantly in the area opposite the fuel channel, so that in this case there is no need for a catalyst in the areas opposite the power line webs.
Zu Figur 4Regarding Figure 4
Diese Graphik zeigt die Abhängigkeiten der kathodischen Überspannung von der Stromdichte einer DMFC-Brennstoff- zelle bei der Anwendung der 100%-Katalysatormenge gegenüber 50% der Katalysatormenge auf der kathodischen Seite der Zelle. Bei der Belegung mit 50% Katalysatormenge wurde der Katalysator aus den Bereichen entfernt, die gegenüber den Betriebsstoffkanälen liegen. Die Kurven stellen die geringfügige Verringerung der Energieausbeute als Minderung der Zellspannung infolge der Po- tentialverluste dar. Die Zellverluste (Potentialverluste) liegen bei einer Stromdichte von 0.4 A/cm2 deutlich unter 5 %. This graph shows the dependencies of the cathodic overvoltage on the current density of a DMFC fuel cell when using the 100% catalyst quantity versus 50% of the catalyst quantity on the cathodic side of the cell. 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

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Brennstoffzellen-Elektrode mit Betriebsstoffkanälen und Stromleitungsstegen oder mit einem Verbindungselement, welches Betriebsstoffkanäle und Stromlei- tungsstege aufweist, sowie mit einer porösen Schicht und Katalysator, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration oder die Menge des Katalysators von der Position der Betriebsstoffkanäle und der Stromleitungsstege abhängt und in Abhängigkeit hiervon variiert.1. Fuel cell electrode with fuel channels and power line bars or with a connecting element which has fuel channels and power line bars, as well as with a porous layer and catalyst, characterized in that the concentration or the amount of the catalyst depends on the position of the fuel channels and the power line bars and varies depending on it.
2. Brennstoffzellen-Elektrode nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration oder die Menge des Katalysators um mindestens 20 Gew.-% variiert.2. Fuel cell electrode according to the preceding claim, characterized in that the concentration or the amount of the catalyst varies by at least 20 wt .-%.
3. Brennstoffzellen-Elektrode nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration oder die Menge des Katalysators entlang der Ebene Brennstoffkanal/Leitungsstege fluktuierend variiert, insbesondere periodisch ent- sprechend der Position der Betriebsstoffkanäle und der Stromleitungsstege.3. Fuel cell electrode according to one of the preceding claims, characterized in that the concentration or the amount of the catalyst fluctuates fluctuating along the level of the fuel channel / line webs, in particular periodically in accordance with the position of the fuel channels and the power line webs.
4. Brennstoffzellen-Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator eine Schicht bildet, die variierende Schichtdicken und/oder Unterbrechungen aufweist . 4. Fuel cell electrode according to one of the preceding claims, characterized in that the catalyst forms a layer which has varying layer thicknesses and / or interruptions.
5. Brennstoffzellen-Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Schicht in dem Bereich, der den Be- triebsstoffkanälen gegenüberliegt, ein geringere Katalysatorkonzentration aufweist als in den Bereichen, die den Stromleitungsstegen gegen berliegen.5. Fuel cell electrode according to one of the preceding claims, characterized in that the porous layer in the area which is opposite the fuel channels has a lower catalyst concentration than in the areas which are opposite the power line webs.
6. Brennstoffzellen-Elektrode nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Schicht in dem Bereich, der den Stromleitungsstegen gegenüberliegt, eine geringere Katalysatorkonzentration aufweist als in den Berei- chen, die den Betriebsstoffkanälen gegenüberliegen.6. Fuel cell electrode according to one of the preceding claims, characterized in that the porous layer has a lower catalyst concentration in the region which lies opposite the power line webs than in the regions which lie opposite the fuel channels.
7. Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellen-Elektroden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator mindestens teilweise aus Bereichen einer aufgebrachten Katalysatorschicht entfernt wird oder fluktuierend aufgebracht wird. 7. The method for producing fuel cell electrodes according to claim 1, characterized in that the catalyst is at least partially removed from areas of an applied catalyst layer or is applied in a fluctuating manner.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001048854A2 (en) * 1999-12-23 2001-07-05 Siemens Aktiengesellschaft Membrane electrode assembly for a fuel cell and a method for producing the same
US7790304B2 (en) 2005-09-13 2010-09-07 3M Innovative Properties Company Catalyst layers to enhance uniformity of current density in membrane electrode assemblies

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10155349C2 (en) * 2001-11-02 2003-11-20 Fraunhofer Ges Forschung Micro fuel cell system and method for its production
JP4917737B2 (en) * 2003-11-12 2012-04-18 日産自動車株式会社 ELECTROLYTE MEMBRANE FOR FUEL CELL AND FUEL CELL
JP4967220B2 (en) * 2004-03-30 2012-07-04 日産自動車株式会社 Fuel cell
DE102007014046B4 (en) * 2007-03-23 2011-07-28 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 Fuel cell and method for its production
DE102008040644A1 (en) * 2008-07-23 2010-01-28 Robert Bosch Gmbh Electrode element for fuel cell system, has catalyst arranged such that density of catalyst in area is larger than density of catalyst in another area, where former area and latter area are arranged adjacent to each other
DE102010008304A1 (en) * 2009-12-11 2011-06-16 Mtu Onsite Energy Gmbh Method and device for loading a current collector of a fuel cell with catalyst material
WO2011100602A1 (en) * 2010-02-12 2011-08-18 Revolt Technology Ltd. Manufacturing methods for air electrode

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996038871A1 (en) * 1995-05-31 1996-12-05 Forschungszentrum Jülich GmbH Anode substrate for a high-temperature fuel cell
US5607785A (en) * 1995-10-11 1997-03-04 Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K. Polymer electrolyte electrochemical cell and process of preparing same

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4567117A (en) * 1982-07-08 1986-01-28 Energy Research Corporation Fuel cell employing non-uniform catalyst

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996038871A1 (en) * 1995-05-31 1996-12-05 Forschungszentrum Jülich GmbH Anode substrate for a high-temperature fuel cell
US5607785A (en) * 1995-10-11 1997-03-04 Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K. Polymer electrolyte electrochemical cell and process of preparing same

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KULIKOVSKY A A ET AL: "Modeling the Cathode Compartment of Polymer Electrolyte Fuel Cells: Dead and Active Reaction Zones", JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY, vol. 146, no. 11, November 1999 (1999-11-01), pages 3981 - 3991, XP002143844 *
MARR C ET AL: "Composition and performance modelling of catalyst layer in a proton exchange membrane fuel cell", JOURNAL OF POWER SOURCES,CH,ELSEVIER SEQUOIA S.A. LAUSANNE, vol. 77, no. 1, 1999, pages 17 - 27, XP004156276, ISSN: 0378-7753 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001048854A2 (en) * 1999-12-23 2001-07-05 Siemens Aktiengesellschaft Membrane electrode assembly for a fuel cell and a method for producing the same
WO2001048854A3 (en) * 1999-12-23 2002-03-28 Siemens Ag Membrane electrode assembly for a fuel cell and a method for producing the same
US7790304B2 (en) 2005-09-13 2010-09-07 3M Innovative Properties Company Catalyst layers to enhance uniformity of current density in membrane electrode assemblies
US8481185B2 (en) 2005-09-13 2013-07-09 3M Innovative Properties Company Catalyst layers to enhance uniformity of current density in membrane electrode assemblies

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