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Dokumentenidentifikation DE112005001826T5 16.05.2007
Titel Randgeschützte katalysatorbeschichtete Membranelektrodenanordnungen
Anmelder General Motors Corp., Detroit, Mich., US
Erfinder Sompalli, Bhaskar, Rochester, N.Y., US;
Litteer, Brian A., Henrietta, N.Y., US;
Healy, John P., Pittsford, N.Y., US;
Yan, Susan G., Fairport, N.Y., US;
Gasteiger, Hubert A., Rochester, N.Y., US;
Gu, Wenbin, Pittsford, N.Y., US;
Fly, Gerald W., Geneseo, N.Y., US
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Aktenzeichen 112005001826
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KM, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, EP, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, OA, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, AP, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, EA, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM
WO-Anmeldetag 28.07.2005
PCT-Aktenzeichen PCT/US2005/026843
WO-Veröffentlichungsnummer 2006015147
WO-Veröffentlichungsdatum 09.02.2006
Date of publication of WO application in German translation 16.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.05.2007
IPC-Hauptklasse B05D 5/00(2006.01)A, F, I, 20050728, B, H, DE

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft Komponenten, die in einer Brennstoffzelle nützlich sind, insbesondere die Membran, die Anode, die Kathode und Schichten mit reduzierter Permeabilität sowie die Anordnung und Verfahren zum Zusammenbau derselben.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Brennstoffzellen sind für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen als Energiequelle entwickelt worden. Von Brennstoffzellen ist es bekannt, dass sie eine Vielzahl von Komponenten umfassen, einschließlich einer Protonenaustauschmembran, einer Anode, einer Kathode und Gasverteilungselementen.

Brennstoffzellen umfassen typischerweise eine Protonenaustausch- oder Polymerelektrolytmembran (PEM), die schichtartig zwischen einer Kathodenkatalysatorschicht und einer Anodenschicht angeordnet ist, um eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zu bilden. Gasdiffusionsmedien (GDM) stehen mit sowohl der Kathodenkatalysatorschicht als auch der Anodenkatalysatorschicht in Eingriff. Die Katalysatorschichten können auf die GDM beschichtet sein, und eine derartige Struktur ist als ein katalysatorbeschichtetes Diffusionsmedium (CC-DM) bekannt. Alternativ dazu kann der Katalysator auf die PEM beschichtet sein, und eine derartige Struktur ist als eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM) bekannt.

Bisher ist ein Randschutz unter Verwendung von Nebendichtungen sowohl in CC-DM- als auch CCM-Brennstoffzellen angewendet worden. 1 zeigt ein CC-DM 30 nach dem Stand der Technik das ein erstes GDM 17 aufweist, das eine darauf beschichtete Anodenkatalysatorschicht 14 besitzt. Ein zweites GDM 18, das eine darauf beschichtete Kathodenkatalysatorschicht 16 aufweist, ist ebenfalls vorgesehen. Es ist eine Protonenaustauschmembran 12 vorgesehen, und eine erste Unterdichtung 20 ist so positioniert, dass sie einen Abschnitt der oberen Fläche der Membran 12 entlang ihres Umfangs abdeckt. Eine zweite Unterdichtung 22 ist so positioniert, dass sie einen Abschnitt der unteren Fläche der Membran 12 entlang ihres Umfangs abdeckt. Die Protonenaustauschmembran 12, die erste Unterdichtung 20 und die zweite Unterdichtung sind zwischen dem Anoden-CC-DM und dem Kathoden-CC-DM angeordnet.

2 zeigt eine CCM 10 nach dem Stand der Technik, die eine Protonenaustauschmembran 12 aufweist, die eine Anodenkatalysatorschicht 14, die auf eine obere Fläche der Membran 12 beschichtet ist, und eine Kathodenkatalysatorschicht 16 besitzt, die auf eine untere Fläche der Membran 12 beschichtet ist. Eine erste Unterdichtung 20 ist so positioniert, dass sie einen Abschnitt der Membran 12 und einen Abschnitt der Anodenkatalysatorschicht 14 entlang des Umfangsrandes von jeder abdeckt. Auf ähnliche Weise ist eine zweite Unterdichtung 22 so positioniert, dass sie einen Abschnitt der Membran 12 und einen Abschnitt der Kathodenkatalysatorschicht 16 entlang des Umfangsrandes von jeder abdeckt. Ein Zeltbereich 24 kann ausgebildet sein und ist durch eine kleine Pore zwischen dem GDM 17 oder 18 und der Anode 14 bzw. Kathode 16 definiert.

Haltbarkeitstests, die graphisch in 3 dargestellt sind, haben gezeigt, dass CCMs nach dem Stand der Technik, wie in 2 gezeigt ist, erheblich weniger haltbar als CC-DMs sind. CC-DMs überdauern regelmäßig CCMs in rauen Bedingungen, wie 95°C, 300 kPa (abs) und 75/50% relative Feuchte. Wie in 3 gezeigt ist, ist der Nutzeffekt des Randschutzes bei CCMs nach dem Stand der Technik relativ klein (125 Stunden für randgeschützt gegenüber 100 für ungeschützt). Jedoch existiert in dem Fall von CC-DMs nach dem Stand der Technik eine 3-fache Zunahme der Lebensdauer der MEAs von 300 auf 900 Stunden für ungeschützte gegenüber geschützten CC-DMs.

Die vorliegende Erfindung sieht Alternativen für den Stand der Technik vor.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Produkt, mit: einer ionenleitenden Membran mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite; eine erste Schicht mit reduzierter Permeabilität über zumindest einer der Anodenseite und Kathodenseite, und wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist, die durch einen Fensterinnenrand definiert ist; wobei die erste Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Permeabilität besitzt, die kleiner als eine Permeabilität der ionenleitenden Membran ist; eine erste Schicht, die eine Vielzahl von Seitenrändern aufweist, und wobei die erste Schicht einen Zentralabschnitt aufweist, der in der Öffnung in der ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist, und wobei der Zentralabschnitt der ersten Schicht einen Katalysator umfasst, und nirgendwo entlang einem der Seitenränder der ersten Schicht und dem Fensterinnenrand der ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität ein Spalt von größer als 500 Mikrometer vorhanden ist.

Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst einen Prozess, umfassend, dass: eine ionenleitende Membran mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite vorgesehen wird; eine anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Anodenseite angeordnet wird, und wobei die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist; ein Anodenkatalysatorabziehplättchen angeordnet wird, das eine Anodenkatalysatorschicht, die zumindest einen Zentralabschnitt aufweist, und eine Verstärkung umfasst, so dass der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht mit der Öffnung in der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität ausgerichtet ist; eine kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Kathodenseite angeordnet wird, und wobei die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist, ein Kathodenkatalysatorabziehplättchen angeordnet wird, das eine Kathodenkatalysatorschicht, die zumindest einen Zentralabschnitt aufweist, und eine Verstärkung umfasst, so dass der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht mit der Öffnung in der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität ausgerichtet ist; das Anodenkatalysatorabziehplättchen, die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität, die Membran, das Kathodenkatalysatorabziehplättchen und die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität gemeinsam heißgepresst werden, so dass der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht in der Öffnung in der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist, und so dass der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht in der Öffnung in der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist; die Verstärkung von sowohl dem Anodenkatalysatorabziehplättchen als auch dem Kathodenkatalysatorabziehplättchen entfernt wird; und wobei sowohl die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität als auch die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität jeweils eine Permeabilität besitzen, die kleiner als eine Permeabilität der ionenleitenden Membran ist. Bevorzugt haftet die darüber liegende Katalysatorschicht gut an der Schicht mit reduzierter Permeabilität an.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst einen Prozess, der umfasst, dass: eine ionenleitende Membran mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite vorgesehen wird; eine anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Anodenseite angeordnet wird, und wobei die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist, ein Anodenkatalysatorabziehplättchen angeordnet wird, das im Wesentlichen aus einem Zentralabschnitt einer Anodenkatalysatorschicht und einer Verstärkung besteht, so dass der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht mit der Öffnung in der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität ausgerichtet ist; eine kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Kathodenseite angeordnet wird und wobei die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist; ein Kathodenkatalysatorabziehplättchen angeordnet wird, das im Wesentlichen aus einem Zentralabschnitt einer Kathodenkatalysatorschicht und einer Verstärkung besteht, so dass der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht mit der Öffnung in der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität ausgerichtet ist; das Anodenkatalysatorabziehplättchen, die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität, die Membran, das Kathodenkatalysatorabziehplättchen und die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität gemeinsam heißgepresst werden, so dass der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht in der Öffnung in der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist, und so dass der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht in der Öffnung in der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist; die Verstärkung von dem Anodenkatalysatorabziehplättchen entfernt wird und die Verstärkung von dem Kathodenkatalysatorabziehplättchen entfernt wird; wobei der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht zumindest einen Seitenrand aufweist, der von der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität um eine Distanz beabstandet ist, so dass ein anodenseitiger Spalt zwischen dem Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht und der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität vorhanden ist, und ferner umfassend, dass ein erstes Material, das einen ersten Füllstoff und einen ersten flüchtigen Träger umfasst, zumindest in den anodenseitigen Spalt fließt, um diesen zu füllen, und ermöglicht wird, dass der erste Träger verdunstet, wobei der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht zumindest einen Seitenrand aufweist, der von der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität um eine Distanz beabstandet ist, so dass ein kathodenseitiger Spalt zwischen dem Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht und der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität vorhanden ist, und ferner umfassend, dass ein zweites Material, das einen zweiten Füllstoff und einen zweiten flüchtigen Träger umfasst, zumindest in den kathodenseitigen Spalt fließt, um diesen zu füllen, und ermöglicht wird, dass der zweite Träger verdunstet; und sowohl die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität als auch die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität jeweils eine Permeabilität besitzen, die kleiner als eine Permeabilität der ionenleitenden Membran ist.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Produkt, mit: einer ionenleitenden Membran mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite; einer anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Anodenseite, und wobei die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist; einer Anodenkatalysatorschicht mit zumindest einem Zentralabschnitt, und wobei der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht in der Öffnung in der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist; einer kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Kathodenseite, und wobei die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist; einer Kathodenkatalysatorschicht mit zumindest einem Zentralabschnitt, und wobei der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht in der Öffnung in der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist; wobei sowohl die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität als auch die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität jeweils eine Permeabilität aufweisen, die kleiner als eine Permeabilität der ionenleitenden Membran ist; einem anodenseitigen Gasdiffusionsmedium, das eine erste Fläche aufweist, die zu der Anodenkatalysatorschicht weist, und einem kathodenseitigen Gasdiffusionsmedium, das eine zweite Fläche aufweist, die zu der Kathodenkatalysatorschicht weist, und wobei zumindest eine der Anodenkatalysatorschicht sich nicht entlang der gesamten Länge der ersten Fläche erstreckt; und der Kathodenkatalysatorschicht sich nicht entlang der gesamten Länge der zweiten Fläche erstreckt.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Produkt, mit: einer ionenleitenden Membran mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite; einer anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Anodenseite, und wobei die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist; einer Anodenkatalysatorschicht mit zumindest einen Zentralabschnitt, und wobei der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht in der Öffnung in der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist; einer kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Kathodenseite, und wobei die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist; einer Kathodenkatalysatorschicht mit zumindest einem Zentralabschnitt, und wobei der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht in der Öffnung in der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist; wobei sowohl die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität als auch die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität jeweils eine Permeabilität aufweisen, die kleiner als eine Permeabilität der ionenleitenden Membran ist; einem anodenseitigen Gasdiffusionsmedium mit einer ersten Fläche, die zu der Anodenkatalysatorschicht weist, und einem kathodenseitigen Gasdiffusionsmedium mit einer zweiten Fläche, die zu der Kathodenkatalysatorschicht weist; wobei der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht und die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität jeweils mit der Membran verbunden sind, jedoch nicht mit dem anodenseitigen Gasdiffusionsmedium verbunden sind, und der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht und die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität jeweils mit der Membran verbunden sind, jedoch nicht mit dem anodenseitigen Gasdiffusionsmedium verbunden sind.

Diese und andere Ausführungsformen der Erfindung werden aus der folgenden Kurzbeschreibung der Zeichnungen, der detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen und angefügten Ansprüche und Zeichnungen offensichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:

1 eine Schnittansicht eines CC-DM nach dem Stand der Technik ist;

2 eine Schnittansicht einer CCM nach dem Stand der Technik ist;

3 eine graphische Darstellung der relativen Leistungsverbesserung von Brennstoffzellen mit randgeschützter CCM nach dem Stand der Technik gegenüber CC-DM-Brennstoffzellen ist;

4A–B ein Verfahren zum Herstellen einer randgeschützten CCM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;

5 eine Schnittansicht einer CCM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

6 eine Schnittansicht einer CCM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

7 eine Schnittansicht einer CCM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

8 eine Draufsicht einer CCM gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist, die die geometrischen Verhältnisse und die relative Position von Schichten mit reduzierter Permeabilität bezüglich zueinander zeigt;

9 eine Draufsicht einer CCM gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist, die die geometrischen Verhältnisse und die relative Position von Anoden- und Kathodenkatalysatorschichten bezüglich zueinander zeigt;

10 eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels, wobei Abschnitte weggebrochen sind, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

11 eine graphische Darstellung der Verbesserung der Haltbarkeit einer CCM mit Randschutz gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;

12 eine Schnittansicht mit entfernten Abschnitten eines Produkts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist, die eine dünne Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysatorbeschichtung auf der Seite von jeder der Schichten mit reduzierter Permeabilität zeigt, die zu einer protonenleitenden Membran weisen;

13 eine Schnittansicht mit entfernten Abschnitten eines Produkts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist, die eine dünne Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysatorbeschichtung auf der Seite von nur einer der Schichten mit reduzierter Permeabilität zeigt, und wobei die dünne Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysatorbeschichtung einen Abschnitt der anderen Schicht mit reduzierter Permeabilität überlappt;

14 eine Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, das umfasst, dass ein Abziehplättchen, das eine Abziehplättchenverstärkung aufweist, die eine Katalysatorschicht darauf besitzt, und eine Schicht mit reduzierter Permeabilität, die einen Abschnitt der Katalysatorschicht überlappt, vorgesehen werden, und die beiden zu einer Membran heißgepresst werden; und

15 eine Draufsicht eines Produktes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist, die einen Spalt zwischen dem Fenster einer Schicht mit reduzierter Permeabilität und einer Katalysatorschicht an einem mehrerer möglicher Orte entlang des Seitenrandes der Katalysatorschicht zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.

Die 4A–B zeigen eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. Es ist eine Protonenaustausch- oder Polymerelektrolytmembran 42 vorgesehen. Die Membran 42 besitzt eine Anodenseite 110 und eine Kathodenseite 112. Eine anodenseitige Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität ist auf der Anodenseite 110 liegend vorgesehen. Die anodenseitige Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität besitzt eine Öffnung hindurch, die durch einen Fensterinnenseitenrand 51 definiert ist. Ähnlicherweise ist eine kathodenseitige Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität unter der Kathodenseite 112 liegend vorgesehen. Die kathodenseitige Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität besitzt eine Öffnung hindurch, die durch einen Fensterinnenrand 53 definiert ist. Die anodenseitigen und kathodenseitigen Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität können ein Film, eine Beschichtung, eine Schicht, eine Unterdichtung oder eine beliebige andere Struktur sein, die für eine geringe Gaspermeation sorgt.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Fensterinnenrand 51 der anodenseitigen Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität nicht vertikal mit dem Fensterinnenrand 53 der kathodenseitigen Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität ausgerichtet. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung überlappt die kathodenseitige Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität die anodenseitige Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität über eine Länge (mit der Linie L bezeichnet), die zu dem Zentrum der Öffnung 53 gemessen ist. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Länge L größer als 10 Mikrometer, bevorzugt größer als 100 Mikrometer und am bevorzugtesten größer als 1000 Mikrometer. Demgemäß kann die aktive Fläche der Anodenkatalysatorschicht größer als die aktive Fläche der Kathodenkatalysatorschicht sein.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Fensterinnenrand 53 der kathodenseitigen Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität nicht vertikal mit dem Fensterinnenrand 51 der anodenseitigen Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität ausgerichtet. Bei einer anderen Ausführungsform überlappt die anodenseitige Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität die kathodenseitige Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität über eine Länge (mit der Linie L bezeichnet), die zu dem Zentrum der Öffnung 51 gemessen ist. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Länge L größer als 10 Mikrometer, bevorzugt größer als 100 Mikrometer und am bevorzugtesten größer als 1000 Mikrometer. Diese Konfiguration ist besonders für trockenere Betriebsabläufe bevorzugt. Demgemäß kann die aktive Fläche der Kathodenkatalysatorschicht größer als die aktive Fläche der Anodenkatalysatorschicht sein.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung, die am besten in 8 gezeigt ist, besitzt die Öffnung 51 in der anodenseitigen Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität eine Fläche (gemessen entlang von Linien parallel zu der längsgerichteten Länge und Breite der Schicht 50), die größer als die Fläche (gleich gemessen) der Öffnung 53 der kathodenseitigen Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität ist.

Unter Bezugnahme auf 4A ist bei einer Ausführungsform der Erfindung ein Anodenkatalysatorabziehplättchen 58 vorgesehen, das eine Anodenkatalysatorschicht 44 und eine lösbare Verstärkung 60 aufweist. Bei einer Ausführungsform der Erfindung überspannt die Kathodenkatalysatorschicht 44 die Öffnung 51 und überlappt einen Abschnitt der anodenseitigen Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Anodenkatalysatorschicht in die Öffnung 51 passen und um eine Distanz von dem Fensterinnenrand 51 beabstandet sein, wie nachfolgend beschrieben ist. Es ist ein Kathodenkatalysatorabziehplättchen 62 vorgesehen, das eine Kathodenkatalysatorschicht 46 und eine lösbare Verstärkung 64 aufweist. Bei einer Ausführungsform überspannt die Kathodenkatalysatorschicht 46 die Öffnung 53 und überlappt einen Abschnitt der kathodenseitigen Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Anodenkatalysatorschicht 46 in die Öffnung 53 passen und um eine Distanz von dem Fensterinnenrand 53 beabstandet sein, wie nachfolgend beschrieben ist.

Wie in 4B gezeigt ist, werden bei einer Ausführungsform der Erfindung das Anodenkatalysatorabziehplättchen 58 und das Kathodenkatalysatorabziehplättchen 62 auf die anodenseitige Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität und durch die Öffnung 51 und auf die Anodenseite 110 der Membran 42 bzw. auf die kathodenseitige Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität und durch die Öffnung 53 und auf die Kathodenseite 112 der Membran 42 heißgepresst. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Heißpressen bei einer Temperatur im Bereich von etwa 120 F bis etwa 500 F, bevorzugt zwischen 250 und 400 F und bei einem Druck im Bereich von etwa 25 psi bzw. etwa 1000 psi, bevorzugt zwischen 100 bis 500 psi durchgeführt. Die Verstärkungen 60 und 64 sind flexibel und werden von dem Anodenkatalysator 44 bzw. dem Kathodenkatalysator 46 abgezogen. Die Katalysatorschicht 44 oder 46 kann abhängig von den Oberflächeneigenschaften des Materials auf die Schicht mit reduzierter Permeabilität übergehen. Es ist bevorzugt, dass die Katalysatorschicht 44 oder 46 gleichförmig von dem Zentralgebiet auf das Umfangsgebiet übergeht, wo die Schichten mit reduzierter Permeabilität auf der Membran 42 an den Anoden- und Kathodenseiten 110, 112 liegen. Die Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität sollten entweder ein Material sein, an dem die Katalysatorschichten 44, 46 gut natürlich anhaften, oder sollten so behandelt sein, um eine derartige Anhaftung zu erleichtern (beispielsweise Plasmabehandlung, Hochfrequenzentladungsbehandlungen oder die Verwendung anderer Oberflächenbehandlungen, die in der Technik bekannt sind).

Bezug nehmend auf 5 umfasst eine Ausführungsform der Erfindung eine Anodenkatalysatorschicht 44, die einen Zentralabschnitt 44a, der mit der Anodenseite 110 der Membran 42 in Eingriff steht, und einen Umfangsabschnitt 44b umfasst, der einen Abschnitt der anodenseitigen Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität überlappt. Der Zentralabschnitt 44a und der Umfangsabschnitt 44b sind teilweise durch die gestrichelte Linie 120 definiert. Bei einer Ausführungsform liegt der Zentralabschnitt 44a an dem Seitenrand 51 der anodenseitigen Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität an, so dass ein Überspannen im Wesentlichen vermieden ist. Auf gleiche Weise ist eine Kathodenkatalysatorschicht 46 vorgesehen, die einen Zentralabschnitt 46a, der mit der Kathodenseite 112 der Membran 42 in Eingriff steht, und einen Umfangsabschnitt 46b aufweist, der einen Abschnitt der kathodenseitigen Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität überlappt. Der Zentralabschnitt 46a und der Umfangsabschnitt 46b sind teilweise durch die gestrichelte Linie 122 definiert.

9 ist eine Darstellung der relativen geometrischen Verhältnisse und der Ausrichtung des Zentralabschnitts 44a der Anodenkatalysatorschicht 44 bezüglich des Zentralabschnitts 46a der Kathodenkatalysatorschicht 46 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Fläche des Zentralabschnitts 44a der Anodenkatalysatorschicht 44, der mit der Membran 42 in Eingriff steht, ist größer als die Fläche des Zentralabschnitts 46a der Kathodenkatalysatorschicht 46, der mit der Membran 42 in Eingriff steht. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung überlappt die Anodenkatalysatorschicht 44 den Rand 103 der Kathodenkatalysatorschicht 46. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Länge der Überlappung X der Anodenkatalysatorschicht 44 über der Kathodenkatalysatorschicht entlang einer Seite 103 derselben größer als 10 Mikrometer, bevorzugt größer als 100 Mikrometer und am bevorzugtesten größer als 1000 Mikrometer.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die relative Größe und die Positionen der Anodenkatalysatorschicht 44 und der Kathodenkatalysatorschicht 46 umgekehrt zu denen, die in 9 gezeigt sind. Die Ausrichtung des Zentralabschnitts 46a der Kathodenkatalysatorschicht 46 bezüglich des Zentralabschnitts 44a der Anodenkatalysatorschicht 44 ist derart, dass die Kathodenkatalysatorschicht 46 die Anodenkatalysatorschicht entlang einer Seite derselben um eine Distanz X überlappt. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Länge der Überlappung X der Kathodenkatalysatorschicht 46 über der Anodenkatalysatorschicht 44 entlang einer Seite 101 derselben größer als 10 Mikrometer, bevorzugt größer als 100 Mikrometer und am bevorzugtesten größer als 1000 Mikrometer. Die Fläche des Zentralabschnitts 46a der Kathodenkatalysatorschicht 46, der mit der Membran 42 in Eingriff steht, ist größer als die Fläche des Zentralabschnitts 44a der Anodenkatalysatorschicht 44, der mit der Membran 42 in Eingriff steht. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung überlappt die Kathodenkatalysatorschicht 46 den Rand 101 der Kathodenkatalysatorschicht 44.

Bezug nehmend auf 6 weist eine andere Ausführungsform der Erfindung eine Anodenkatalysatorschicht 44 auf, die in der Öffnung 51 der anodenseitigen Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität ausgebildet ist. Die Anodenkatalysatorschicht 44 umfasst Seitenränder 101, die um eine Distanz, die mit der Linie G bezeichnet ist, von dem Fensterinnenrand 51 der anodenseitigen Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität beabstandet sind, so dass ein Spalt 130 zwischen der Anodenkatalysatorschicht 44 und dem Fensterinnenrand 51 vorhanden ist. Auf gleiche Weise wird eine Kathodenkatalysatorschicht 46 in der Öffnung 53 der kathodenseitigen Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität gebildet. Die Kathodenkatalysatorschicht 46 umfasst Seitenränder 103, die um eine Distanz, die mit der Linie G bezeichnet ist, von dem Fensterinnenrand 53 der kathodenseitigen Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität beabstandet sind, so dass ein Spalt 132 zwischen der Kathodenkatalysatorschicht 46 und dem Fensterinnenrand 53 vorhanden ist. Die Spalte 130 und 132 können gleiche oder verschiedene Größen besitzen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Länge G von jedem der Spalte 130 und 132 größer als die Herstelltoleranzen für die Abscheidung der Katalysatorschichten 44 und 46 gleich neben den zugeordneten Schichten 50 bzw. 52 mit reduzierter Permeabilität. Bei einer Ausführungsform der Erfindung muss die Länge G von jedem der Spalte 130, 132 kleiner als 500 Mikrometer entlang des gesamten Umfangs des Katalysatorrands 101 bzw. 103 sein. Bevorzugter sollte die Länge G des Spaltes 130, 132 kleiner als 100 Mikrometer sein. Am bevorzugtesten sollte der Spalt 130, 132 kleiner als 10 Mikrometer sein oder überhaupt kein Spalt vorhanden sein. Für alle hier beschriebenen Ausführungsformen können die Anodenkatalysatorschicht 44 und die Kathodenkatalysatorschicht 46 auf der Membran 42 unter Verwendung des oben beschriebenen Abziehplättchenverfahrens oder einem beliebigen anderen Verfahren abgeschieden werden, das in der Technik bekannt ist, einschließlich Sprühen, Beschichten, Streichen oder Siebdrucken eines Katalysatormaterials.

Bezug nehmend auf 7 weist eine Ausführungsform der Erfindung ein Abscheiden eines Zentralabschnitts 44a und 46a der Anoden- und Kathodenkatalysatorschichten auf der Membran 42 unter Verwendung eines Abziehplättchenverfahrens auf, wobei jedoch die Seitenränder 101 und 103 der Zentralabschnitte 44a und 46a um eine Distanz von den Fensterinnenrändern 51 und 53 der Anoden- und Kathodenschichten 50 bzw. 52 mit reduzierter Permeabilität beabstandet sind. Die Distanz, um die die Seitenränder 101 und 103 jeweils von dem Fensterinnenrand 51 und 53 beabstandet sind, sind durch die Herstelltoleranzen zum Abscheiden der Katalysatorschichten 44, 46 und Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität gesteuert. Anschließend werden Umfangsabschnitte 44b, 46b abgeschieden, um die Spalte 130, 132 zumindest zu füllen, und bevorzugter über Abschnitten der Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität abgeschieden und füllen die Spalte zwischen den Seitenrändern 101 und 103 und den Fensterinnenrändern 51, 53 und treten mit den Zentralabschnitten 44a bzw. 46a in Eingriff. Die Umfangsabschnitte 44b, 46b können unter Verwendung eines Materials abgeschieden werden, das fließt.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann das verwendete Material in dem Temperaturgebiet von etwa 25–150°C fließen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Umfangsabschnitte 44b, 46b auf die oben beschriebenen Flächen gestrichen, beschichtet, gesprüht oder siebgedruckt. Die Umfangsabschnitte 44b, 46b können eine Katalysatorbeladung aufweisen, die im Wesentlichen gleich oder kleiner als die der Zentralabschnitte 44a bzw. 46a ist, oder die Umfangsabschnitte 44b, 46b können eine Gradientenkonzentration von Katalysator oder gar keinen Katalysator aufweisen. Optional dazu kann ein Ionomer, wie perfluorierte Sulfonsäurepolymere, in dem Material enthalten sein, das dazu verwendet wird, den Spalt zu füllen. Geeignete flüchtige Träger für das fließfähige Material können Alkohole, die ärmer an Kohlenstoff C sind, sein, wie Methanol, Propanol, Propanol oder Wasser. Alternativ dazu kann das fließfähige Material einen Füllstoff enthalten, der eine reduzierte Permeabilität besitzt. Beispiele geeigneter Materialien mit reduzierter Permeabilität für das fließfähige Material umfassen zumindest eines aus Polyimid, Polyethylennaphthalat, Ethylentetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyester, Polyamid, Copolyamid, Polyamidelastomer, Polyurethane, Polyurethanelastomer und Silikon.

Bezug nehmend auf 10 weist eine Ausführungsform der Erfindung einen Brennstoffzellenstapel auf, der eine Vielzahl von CCMs gemäß einer der Ausführungsformen der 5 bis 7 aufweisen kann und ferner ein anodenseitiges GDM 150 und ein kathodenseitiges GDM 152 besitzt. Das anodenseitige GDM 150 weist eine Fläche 200 auf, die zu der Anodenkatalysatorschicht 44 weist. Bei einer Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Anodenkatalysatorschicht 44 nicht entlang der gesamten Länge der Fläche 200. Auf gleiche Weise weist das kathodenseitige GDM 152 eine Fläche 202 auf, die zu der Kathodenkatalysatorschicht 46 weist. Bei einer Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Kathodenkatalysatorschicht 46 nicht entlang der gesamten Länge der Fläche 202. Optional dazu kann eine anodenseitige mikroporöse Schicht 162 zwischen der Anodenkatalysatorschicht 44 und dem anodenseitigen GDM 150 angeordnet sein, und gleichermaßen kann eine kathodenseitige mikroporöse Schicht 164 zwischen der Kathodenkatalysatorschicht 46 und dem kathodenseitigen GDM 152 angeordnet sein. Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind der Zentralabschnitt 44a der Anodenkatalysatorschicht 44 und die anodenseitige Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität jeweils mit der Membran 42 verbunden, jedoch nicht mit dem anodenseitigen Gasdiffusionsmedium 150 verbunden, und der Zentralabschnitt 46a der Kathodenkatalysatorschicht 46 und die kathodenseitige Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität sind jeweils mit der Membran 42 verbunden, jedoch nicht mit dem anodenseitigen Gasdiffusionsmedium 152 verbunden. Eine erste Bipolarplatte 154, die eine Vielzahl von darin definierten Gasströmungskanälen 156 aufweist, steht mit dem anodenseitigen GDM 150 in Eingriff, und eine zweite Bipolarplatte 158, die eine Vielzahl von darin definierten Gasströmungskanälen 160 aufweist, steht mit dem kathodenseitigen GDM 152 in Eingriff. Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst, wobei jede der Vielzahl von Brennstoffzellen eine Anordnung umfasst, die umfasst: eine ionenleitende Membran mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite; eine erste Schicht mit reduzierter Permeabilität über zumindest einer der Anodenseite und Kathodenseite, und wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist, die durch einen Fensterinnenrand definiert ist; wobei die erste Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Permeabilität aufweist, die kleiner als eine Permeabilität der ionenleitenden Membran ist; eine erste Schicht, die eine Vielzahl von Seitenrändern aufweist, und wobei die erste Schicht einen Zentralabschnitt aufweist, der in der Öffnung in der ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist, und wobei der Zentralabschnitt der ersten Schicht einen Katalysator umfasst; und wobei für im Wesentlichen jede Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels nirgendwo entlang einem der Seitenränder der ersten Schicht und dem Fensterinnenrand der ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität ein Spalt von größer als 500 Mikrometer, 100 Mikrometer, 10 Mikrometer und am bevorzugtesten überhaupt kein Spalt vorhanden ist.

Das Schaubild von 11 zeigt einen Vergleich der Haltbarkeit einer herkömmlichen CCM 30 nach dem Stand der Technik in 2 und einer CCM 40 mit einem Randschutz gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wie in 5 gezeigt ist, unter Haltbarkeitstestbedingungen von 95°C, 300 kPa (abs), 70/50% RF, 2/2 Stöchiometrie, H2/Luft. Die CCM 30 des Standes der Technik hielt 95–100 Stunden vor der Entwicklung von Membranstiftlöchern an den Unterdichtungsrändern. Im Gegensatz dazu war eine CCM 40 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sogar bei einem Test von 225 Stunden robust und frei von Stiftlöchern. CCMs gemäß der anderen Ausführungsformen, die in den 4A–B, 610 gezeigt sind, besitzen ebenfalls eine ähnlich verbesserte Haltbarkeit.

Es ist auch entdeckt worden, dass für Brennstoffzellen, die bei einer relativen Feuchte von mehr als 50% (in der Nähe der Schichten mit reduzierter Permeabilität arbeiten) Ausführungsformen, bei denen die Anodenkatalysatorschicht 44 größer als die Kathodenkatalysatorschicht 46 ist, eine verbesserte Haltbarkeit vorsehen können. Die 57 und 10 zeigen Ausführungsformen, in denen die Anodenkatalysatorschicht 44 größer als die Kathodenkatalysatorschicht 46 ist.

Die Membran 42 ist bevorzugt ein Festpolymermembranelektrolyt und bevorzugt eine Protonenaustauschmembran (PEM). Bevorzugt besitzt die Membran 42 eine Dicke im Bereich von etwa 10 Mikrometer–100 Mikrometer und am bevorzugtesten eine Dicke von etwa 25 Mikrometer. Polymere, die für derartige Membranelektrolyte geeignet sind, sind in der Technik gut bekannt und in den U.S. Patent Nrn. 5,272,017 und 3,134,697 und an anderen Stellen in der Patent- und Nicht-Patent-Literatur beschrieben. Es sei jedoch angemerkt, dass die Zusammensetzung der Membran 42 beliebige der protonenleitenden Polymere umfassen kann, die herkömmlich in der Technik verwendet werden. Bevorzugt werden perfluorierte Sulfonsäurepolymere, wie NAFION®, verwendet.

Die Membran 42 ist eine kationenpermeable protonenleitende Membran mit H+-Ionen, als dem mobilen Ion; das Brennstoffgas ist Wasserstoff (oder Reformat), und das Oxidationsmittel ist Sauerstoff oder Luft. Die Gesamtzellenreaktion ist die Oxidation von Wasserstoff zu Wasser, und die jeweiligen Reaktionen an der Anode und der Kathode sind H2 = 2H+ + 2e (Anode) und S O2 + 2H+ + 2e = H2O (Kathode).

Die Zusammensetzung der Anodenkatalysatorschicht 44 und der Kathodenkatalysatorschicht 46 umfasst bevorzugt elektrochemisch aktives Material, das in einem Polymerbinder dispergiert ist, der ähnlich der Membran 42 ein protonenleitendes Material ist, wie NAFION®. Das elektrochemisch aktive Material umfasst bevorzugt katalysatorbeschichtete Kohlenstoff- oder Graphitpartikel. Die Anodenkatalysatorschicht 44 und die Kathodenkatalysatorschicht 46 umfassen bevorzugt Platin oder Platinlegierungen als den Katalysator. Obwohl die Anodenkatalysatorschicht 44 und die Kathodenkatalysatorschicht 46 in den Figuren mit verschiedenen Größen gezeigt sind, können 44 und 46 die gleiche Größe besitzen. Ferner kann die Kathode größer als die Anode sein. Eine bevorzugte Dicke der Anode und Kathode liegt im Bereich von etwa 2–30 Mikrometern und am bevorzugtesten bei etwa 10 Mikrometer.

Das Material, das zur Verwendung als die Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität gewählt ist, kann eine Permeabilität für Sauerstoff und Wasserstoffgas aufweisen, die kleiner als die Permeabilität für Sauerstoff und Wasserstoffgas der ionenleitenden Membran 42 ist. Wenn die Permeabilität der Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität kleiner als die Permeabilität der ionenleitenden Membran 42 ist, ist die Übertrittsrate der Reaktandenbrennstoffzellengase an den Rändern der Membranelektrodenanordnung 40 signifikant reduziert, und gleichermaßen ist die Konzentration von Sauerstoff und Wasserstoff in der Membran signifikant reduziert. Dies ist vorteilhaft, da der chemische Abbau des Elektrolyten in der Membran und der Elektrode aufgrund sowohl der gleichzeitigen Anwesenheit von Sauerstoff und Wasserstoff in der Membran als auch dem Gasübertritt durch die Membran 42 (d.h. entweder Wasserstoff von der Anode an die Kathode oder Sauerstoff von der Kathode an die Anode) auftritt, und daher impermeable Schichten 50, 52 einen chemischen Abbau lindern.

Genauer kann beim Normalbetrieb einer Brennstoffzelle Wasserstoff- und Sauerstoffgas über die Membran 42 an sowohl die Kathode 46 als auch die Anode 44 hindurch dringen, so dass sich Sauerstoff in der Anwesenheit des Wasserstoffbrennstoffs befindet. Wenn diese Reaktandengase mit dem elektrochemisch aktiven Material der Anode 44 und der Kathode 46 in Kontakt kommen, wird der Sauerstoff reduziert und reagiert mit H+-Ionen, die aus der Oxidation des Wasserstoffbrennstoffgases erzeugt werden. Diese beginnende Nebenreaktion zwischen dem reduzierten Sauerstoff und den H+-Ionen erzeugt H2O2 wie folgt: O2 + 2H+ + 2e = H2O2

Es ist bekannt, dass diese Erzeugung von H2O2 einen Abbau der Membran 42 und somit eine verringerte Brennstoffzellenlebensdauer und -leistung bewirkt. Ferner sei zu verstehen, dass andere mögliche Mechanismen eines chemischen Abbaus des Elektrolyten in der Membran und den Elektroden dadurch gelindert werden können, dass ein Gasübertritt durch die Membran 42 vermieden oder zumindest gehemmt wird. Diese Gase sind anfälliger für eine Durchdringung der Membran 42 an den Rändern der Membran 422 an Spalten zwischen den Elementen der Brennstoffzelle, die durch Herstelltoleranzen bewirkt werden. Somit kann sich ein kondensierter Fluss der Reaktandengase an den Rändern der Anode 44 und Kathode 46 sammeln. Der Abbau der Membran 42 erfolgt daher typischerweise an den Rändern der Anode 44 und der Kathode 46.

Um den chemischen Abbau zu unterdrücken und die Erzeugung von H2O2 zu beseitigen, sind die Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität aus einem Material ausgebildet, das eine Permeabilität für Luft und Wasserstoff besitzt, die kleiner als die der Membran 42 ist. Wenn beispielsweise eine NAFION®-Membran, wie N112, als die Membran 42 verwendet wird, sollten die Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität eine Permeabilität für Luft (Sauerstoff) von weniger als 3500 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm) bei 77°F/100% RF besitzen. Bevorzugt sollten die Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität eine Sauerstoffpermeabilität von weniger als oder gleich 200 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm) bei 77°F/100% RF besitzen. Ein bevorzugtes Material, um eine derartige Permeabilität zu erreichen, ist beispielsweise Ethylentetrafluorethylen (ETFE), das eine Sauerstoffpermeabilität von 184 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm) bei 77°F/100% RF besitzt. Am bevorzugtesten sollten die Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität eine Sauerstoffpermeabilität von weniger als oder gleich 25 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm) bei 77°F/100% RF besitzen. Geeignete Materialien, die die bevorzugteste Sauerstoffpermeabilität erreichen, sind beispielsweise Polyimid (vertrieben mit der Handelsbezeichnung Kapton, 25 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm) bei 77°F/100% RF) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF, 3,4 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm) bei 77°F/100% RF).

Die Permeabilität für Wasserstoff in den Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität sollte kleiner als 1,5 × 10–8 ml(STP)-cmdick/(s-cm2-cmHg) bei 80°C, 270 kPa, 100% RF; bevorzugt kleiner als oder gleich 1 × 10–9 ml(STP)-cmdick/(s-cm2-cmHg) bei 80°C, 270 kPa, 100% RF und am bevorzugtesten kleiner als oder gleich 5 × 10–10 ml(STP)-cmdick/(s-cm2-cmHg) bei 80°C, 270 kPa, 100% RF sein. Geeignete Materialien, um die obigen Wasserstoffpermeabilitäten zu erreichen, sind beispielsweise Kapton (4,7 × 10–10 ml(STP)-cmdick/(s-cm2-cmHg) bei 80°C, 270 kPa, 100% RF) und Polyethylennaphthalat (PEN, 2 × 10–10 ml(STP)-cmdick/(s-cm2-cmHg) bei 80°C, 270 kPa, 100% RF).

Ferner sei, obwohl ETFE, Kapton, PVDF und PEN als bevorzugte Materialien zum Erreichen der oben beschriebenen Sauerstoff- und Wasserstoffpermeabilitäten beschrieben sind, zu verstehen, dass andere Materialien zur Verwendung als die Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität gewählt werden können, solange das Material eine Permeabilität für Sauerstoff und Wasserstoff besitzt, die kleiner als die der Membran 42 ist. Beispiele anderer Materialien umfassen Polyester, Polyamide, Copolyamide, Polyamidelastomere, Polyurethane, Polyurethanelastomere, Silikone und andere thermoplastische Elastomere. Durch Reduzierung der Permeabilität für den Reaktandengasen an den Rändern der Anode 44 und der Kathode 46 kann der Übertritt der Reaktandengase, die den Abbau der Membran 42 bewirken, reduziert und/oder vermieden werden.

Wie oben angemerkt ist, schützen die Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität auch die Ränder der Membran 42 vor einer nicht gemilderten Wärmeproduktion aus einem Übertritt und schützen die Membran vor einem Kontakt mit der Bipolarplatte und anderen Dichtflächen.

Bei der Auswahl geeigneter Materialien für die Verwendung als die Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität, um den Übertritt der Reaktandengase über die Membran 42 der MEA 40 zu verhindern, sei zu verstehen, dass ein erstes Material zur Verwendung als eine anodenseitige Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität gewählt werden kann, und ein zweites Material zur Verwendung als eine kathodenseitige Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität gewählt werden kann. Genauer kann es, da Wasserstoffbrennstoff auf der Anodenseite der MEA 40 verwendet wird, bevorzugt sein, ein Material für die anodenseitigen Schichten 50 mit reduzierter Permeabilität zu wählen, das eine geringere Permeabilität für Wasserstoff besitzt. Umgekehrt kann es, da Sauerstoff oder Luft auf der Kathodenseite der MEA 40 verwendet wird, bevorzugt sein, ein Material für die kathodenseitige Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität zu wählen, das eine geringere Permeabilität für Sauerstoff besitzt. Auf diese Art und Weise kann der Übertritt der Reaktandengase weiter vermieden und eine längere Lebensdauer der MEA 40 erreicht werden.

Es sei auch zu verstehen, dass das Material für die Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität zusätzlich zu seiner Permeabilität für Luft und Wasserstoff gemäß seiner Weichheit bei der MEA-Verarbeitungstemperatur (bestimmt beispielsweise durch ihre Glasübergangstemperatur oder ihre Schmelztemperatur) gewählt werden kann. Dies bedeutet, die Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität können aus einem Material hergestellt sein, das bei der MEA-Verarbeitungstemperatur weich und nachgiebig ist. Diesbezüglich ist ein bevorzugtes Material für die Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität Polyvinylidenfluorid (PVDF), jedoch nicht darauf beschränkt. Andere Materialien umfassen Polyethylennaphthalat (PEN) und Polyimid. Optional können zusätzliche Dichtungselemente (nicht gezeigt) vorgesehen sein, die zumindest einen Anteil der Schichten 50, 52 für reduzierte Permeabilität bedecken.

Durch Verwendung von Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität, die weicher und biegsamer, schmiegbarer und nachgiebiger als die Membran 42 sind, werden die Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität komprimiert und verformt, wenn die Elemente der MEA 40 aneinander gepresst werden, um die Anordnung fertig zu stellen. Auf diese Weise verbinden sich die Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität mit der Membran 42 oder werden an die Membran 42 laminiert. Dieses Verbinden oder Laminieren der Elemente der MEA 40 resultiert in einem einheitlichen Aufbau, der die Robustheit der MEA 40 erhöht, da die Elemente der MEA 40 über die gesamte Fläche der MEA 40 hinweg gleichförmigen Drücken ausgesetzt sind.

Die Gasdiffusionsmediumschichten können aus Materialien bestehen, wie Kohlefaserpapier und Kohlenstoffgewebe, und können eine Dicke im Bereich von 100 bis 500 Mikrometer besitzen. Die mikroporösen Schichten 162 und 164 können aus Materialien hergestellt sein, wie Rußen und hydrophoben Bestandteilen, wie PTFE und PVDF, und können eine Dicke im Bereich von 2 bis 100 Mikrometer besitzen.

Bezug nehmend auf 12 weist eine andere Ausführungsform der Erfindung den Zusatz einer dünnen Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysatorbeschichtung 300, 302 auf der Seite der Schicht 50, 52 mit reduzierter Permeabilität auf, die zu der protonenleitenden Membran 42 weist. Die kathodenseitige Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysatorbeschichtung 302 auf der Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität reduziert ferner die Konzentration von Sauerstoff an der Membran/Zwischenfläche mit reduzierter Permeabilität durch selektive Oxidation von Sauerstoff, der durch die kathodenseitige Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität hindurch dringt oder um und unter die kathodenseitige Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität diffundiert, wobei der Wasserstoff durch die protonenleitende Membran 52 hindurch dringt, wodurch die effektive Sauerstoffkonzentration in der protonenleitenden Membran verringert wird, was die Geschwindigkeit des chemischen Abbaus des Materials der protonenleitenden Membran reduziert. Die anodenseitige Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysatorbeschichtung 300 auf der Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität reduziert ferner die Konzentration von Wasserstoff an der Membran/Zwischenfläche mit reduzierter Permeabilität durch selektive Oxidation von Wasserstoff, der durch die Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität hindurch dringt oder um und unter die Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität diffundiert, wobei Sauerstoff durch die protonenleitende Membran 42 hindurch dringt, wodurch die effektive Wasserstoffkonzentration in der protonenleitenden Membran 42 verringert wird, was die Geschwindigkeit des chemischen Abbaus des Materials der protonenleitenden Membran reduziert.

Geeignete Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysatoren, die auf die Schicht 50, 52 mit reduzierter Permeabilität beschichtet werden können, sind bevorzugt dünne Beschichtungen aus Platin, Ruthenium, Iridium, Palladium, Rhodium, Mischungen dieser Metalle miteinander; wie auch Legierungen zwischen einem oder mehreren der obigen, Platinmetalle mit Übergangsmetallen (beispielsweise Kobalt, Nickel, etc.). Andere geeignete Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysatoren sind Ag, Au, Sn, Si, Ti, Zr, Al, Hf, Ta, Nb, Ce und Kombinationen daraus, einschließlich Oxiden derselben, wenn anwendbar. Die Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysatoren werden auf der Schicht 50, 52 mit reduzierter Permeabilität als dünne Schichten von < 10 Mikrometer, bevorzugt < 100 nm, am bevorzugtesten < 20 nm abgeschieden, da dünne Schichten die Kosten der möglichen Edelmetallbestandteile reduzieren. Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Beschichtungen 300, 302 des Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysators nicht porös, um eine Gasdiffusion in dem Film oder der Beschichtung 300, 302 zu reduzieren.

Filme und Beschichtungen des Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysators können beispielsweise durch Physical Vapor Deposition, Chemical Vapor Deposition und andere Dünnfilmbeschichtungsverfahren, die in der Technik bekannt sind, aufgebracht werden. Die oben aufgelisteten Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysatoren können in der Form gestützter Katalysatoren vorliegen (geeignete Trägermaterialien sind Ruß, graphitisierter Ruß, Graphit und andere oxidbasierte Träger, wie TiO2, ZrO2, etc.), die als dünne Schichten unter Verwendung von Polymerbindern (beispielsweise PTFE, PFSA-Ionomere, Kynar, etc.) beschichtet werden können. Am bevorzugtesten ist es jedoch, nicht gestützte Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysatoren zu verwenden, die die gewünschte niedrigere Gasporosität bieten und von denen allgemein angenommen wird, dass sie weniger Radikale erzeugen, die die protonenleitende Membran beschädigen können. Bei einer anderen Ausführungsform können die oben aufgelisteten Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysatoren auch in die Schichten mit reduzierter Permeabilität integriert werden.

Während der Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator auf die gesamte Schicht 50, 52 mit reduzierter Permeabilität beschichtet werden kann, ist es auch ausreichend, diesen nur auf die Schicht mit reduzierter Permeabilität zu beschichten, die das kleinere Fenster 51, 53 aufweist. Wie in 13 gezeigt ist, befindet sich die Beschichtung 302 des Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysators an der kathodenseitigen Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität, die ein kleines Fenster aufweist. Jedoch umfasst der Schutzumfang der Erfindung Ausführungsformen, bei denen die anodenseitige Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität ein kleineres Fenster 51 aufweist und sich die Beschichtung des Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysators nur auf der anodenseitigen Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität befindet. Wenn der Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator auf die Schicht mit reduzierter Permeabilität mit dem kleineren Fenster beschichtet ist, kann er auf die gesamte Schicht mit reduzierter Permeabilität oder nur in dem Gebiet beschichtet sein, bis die Schicht mit reduzierter Permeabilität an der anderen Seite der Membran beginnt, oder wobei die Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationsschicht 302 die andere Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität um eine Distanz Z von zumindest 25 Mikrometer, bevorzugt 250 Mikrometer und am bevorzugtesten 1000 Mikrometer überlappt.

Aus dem Obigen wird verständlich, dass der Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator auch direkt auf die protonenleitende Membran 42 in den Gebieten beschichtet werden kann, die anschließend durch eine oder beide der Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität bedeckt werden. In diesem Fall erstreckt sich die Schicht 300, 302 aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator bevorzugt über den gesamten Weg bis zu dem Innenfensterrand 51, 53 der jeweiligen Schicht 50 bzw. 52 mit reduzierter Permeabilität und erstreckt sich am bevorzugtesten in das Innenfenster 51, 53 der jeweiligen Schicht mit reduzierter Permeabilität um bis zu 500 Mikrometer hinein.

Bezug nehmend auf 14 umfasst eine andere Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren, das umfasst, dass ein Anodenkatalysatorabziehplättchen 58 vorgesehen wird, das eine Anodenkatalysatorschicht 44 auf einer ablösbaren Verstärkung 60 umfasst. Die anodenseitige Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität wird so vorgesehen, dass sie zumindest einen Abschnitt der Anodenkatalysatorschicht 44 überlappt und daran angebracht ist. Optional dazu kann die Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität an der Abziehplättchenverstärkung 60 angebracht werden. Eine anodenseitige Schicht 300 aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator bedeckt zumindest einen Abschnitt der Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität. Alternativ dazu kann die anodenseitige Schicht 300 aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator bereits an die Membran 42 aufgebracht werden. Ähnlicherweise wird ein Katalysatorabziehplättchen 62 vorgesehen, das eine Kathodenkatalysatorschicht 46 auf einer ablösbaren Verstärkung 64 umfasst. Eine kathodenseitige Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität wird vorgesehen, die einen Abschnitt der Kathodenkatalysatorschicht 46 überlappt und daran angebracht ist. Optional dazu kann die Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität an der Abziehplättchenverstärkung 64 angebracht werden. Eine kathodenseitige Schicht 302 aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator bedeckt zumindest einen Abschnitt der Schicht 52 mit reduzierter Permeabilität. Alternativ dazu kann die kathodenseitige Schicht 302 aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator bereits auf die Membran 42 aufgebracht werden. Das Anodenabziehplättchen 58, die Membran 42 und das Kathodenabziehplättchen 62 werden gemeinsam heißgepresst, wie vorher beschrieben wurde.

15 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der der Spalt 130 zwischen dem Fensterinnenrand 51 der anodenseitigen Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität und dem Seitenrand 101 der Anodenkatalysatorschicht 50 eine Distanz G, die kleiner als 500 Mikrometer ist, entlang des Katalysatorrandes 101 ist. Bevorzugter sollte die Länge G des Spaltes 130 kleiner als 100 Mikrometer und am bevorzugtesten kleiner als 10 Mikrometer sein. Wie in 15 gezeigt ist, kann der Spalt 130 an einem Ort oder mehreren Orten zufällig entlang des Umfangs der Katalysatorschicht 44 vorhanden sein. An einigen der Orte kann sich die Katalysatorschicht zufällig über die Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität erstrecken oder überhaupt nicht bis zu der Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität reichen. Der Spalt 130 muss sich nicht unbedingt entlang der gesamten Länge des Seitenrandes 101 der Anodenkatalysatorschicht 44 erstrecken. Der Spalt 130 kann an mehreren und zufälligen Orten aufgrund der Fehlausrichtung der Schicht 50 mit reduzierter Permeabilität mit der Katalysatorschicht 40 und/oder aufgrund dessen auftreten, da die Seitenränder 101, 103 der Katalysatorschicht 44 bzw. 46 nicht perfekt gerade sind. Die Erfindung umfasst die Entdeckung, dass Anordnungen mit Spalten 130, 132 von kleiner als 500 Mikrometern, bevorzugt kleiner als 100 Mikrometern und am bevorzugtesten kleiner als 10 Mikrometer eine verbesserte Haltbarkeit besitzen. Bei einer bevorzugtesten Ausführungsform der Erfindung befindet sich an keiner Stelle entlang des gesamten Seitenrandes 101, 103 der Katalysatorschicht 44 bzw. 46 ein Spalt 130, 132. Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Anordnen einer Membran 42, von Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität und von Katalysatorschichten 44, 46, wie hier beschrieben ist, so dass die Spalte 130, 132 konsistent kleiner als 500 Mikrometer und bevorzugt kleiner als 100 Mikrometer und am bevorzugtesten kleiner als 10 Mikrometer sind. Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst das Anordnen von mehr als 2000 Anordnungen hintereinander, von denen jede eine Membran 42, Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität und Katalysatorschichten 44, 46 umfasst, wie hier beschrieben ist, so dass die Spalte 130, 132 konsistent kleiner als 500 Mikrometer und bevorzugt kleiner als 100 Mikrometer und am bevorzugtesten kleiner als 10 Mikrometer sind. Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst das Herstellen einer Vielzahl von Anordnungen, das umfasst, dass eine Membran 42, Schichten 50, 52 mit reduzierter Permeabilität und Katalysatorschichten 44, 46, wie hier beschrieben ist, ausgerichtet werden und diese miteinander verbunden werden, die Ausricht- und Verbindungsschritte wiederholt werden und periodisch zumindest eine der verbundenen Anordnungen geprüft wird und die Ausrichtung jeder Katalysatorschicht mit ihrer jeweiligen Schicht mit reduzierter Permeabilität eingestellt wird, wenn die Spalte 130, 132 größer als 500 Mikrometer sind, und bevorzugt, wenn die Spalte 130, 132 größer als 100 Mikrometer sind, und am bevorzugtesten größer als 10 Mikrometer sind.

Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von dem Erfindungsgedanken der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige Abwandlungen werden nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung betrachtet.

Zusammenfassung

Eine Brennstoffzelle umfasst eine anodenseitige katalysatorbeschichtete Membran und eine kathodenseitige katalysatorbeschichtete Membran. Zwischen der ionenleitenden Membran und den anodenseitigen und kathodenseitigen Gasdiffusionsmedien ist zumindest ein Abschnitt einer Schicht mit reduzierter Permeabilität angeordnet, wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität aus einem Material ausgebildet ist, das eine Permeabilität besitzt, die kleiner als eine Permeabilität des ionenleitenden Elements ist. Die Schicht mit reduzierter Permeabilität kann auch aus einem Material ausgebildet sein, das weicher als die ionenleitende Membran ist.


Anspruch[de]
Produkt mit:

einer ionenleitenden Membran mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite;

einer ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität über zumindest einer der Anodenseite und Kathodenseite, und wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist, die durch einen Fensterinnenrand definiert ist;

wobei die erste Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Permeabilität besitzt, die kleiner als eine Permeabilität der ionenleitenden Membran ist;

einer ersten Schicht, die eine Vielzahl von Seitenrändern aufweist, und wobei die erste Schicht einen Zentralabschnitt aufweist, der in der Öffnung in der ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist, und wobei der Zentralabschnitt der ersten Schicht einen Katalysator umfasst und nirgendwo entlang einem der Seitenränder der ersten Schicht und dem Fensterinnenrand der ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität ein Spalt von größer als 500 Mikrometer vorhanden ist.
Produkt nach Anspruch 1, wobei nirgendwo entlang einem der Seitenränder der ersten Katalysatorschicht und dem Fensterinnenrand der ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität ein Spalt von größer als 100 Mikrometer vorhanden ist. Produkt nach Anspruch 1, wobei nirgendwo entlang einem der Seitenränder der ersten Katalysatorschicht und dem Fensterinnenrand der ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität ein Spalt von größer als 10 Mikrometer vorhanden ist. Produkt nach Anspruch 1, wobei nirgendwo entlang einem der Seitenränder der ersten Katalysatorschicht und dem Fensterinnenrand der ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität ein Spalt vorhanden ist. Produkt nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht mit reduzierter Permeabilität sich über der Anodenseite befindet, und ferner mit einer zweiten Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Kathodenseite der Membran, wobei die zweite Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist, die durch einen Fensterinnenrand der Schicht mit reduzierter Permeabilität definiert ist, einer zweiten Schicht, die eine Vielzahl von Seitenrändern aufweist und wobei die zweite Schicht einen Zentralabschnitt aufweist, der in der Öffnung in der zweiten Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist, und wobei der Zentralabschnitt der zweiten Schicht einen Katalysator umfasst und nirgendwo entlang einem der Seitenränder der zweiten Schicht und dem Fensterinnenrand der zweiten Schicht mit reduzierter Permeabilität ein Spalt von größer als 500 Mikrometer vorhanden ist; wobei die zweite Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Permeabilität aufweist, die kleiner als eine Permeabilität der ionenleitenden Membran ist. Produkt nach Anspruch 5, wobei der Zentralabschnitt der ersten Schicht größer als der Zentralabschnitt der zweiten Schicht ist. Produkt nach Anspruch 5, wobei der Zentralabschnitt der zweiten Schicht größer als der Zentralabschnitt der ersten Schicht ist. Produkt nach Anspruch 5, wobei jeder der Seitenränder der ersten Schicht einen entsprechenden Rand der zweiten Schicht überlappt. Produkt nach Anspruch 5, wobei jeder der Seitenränder der zweiten Schicht eine entsprechende Seite der ersten Schicht überlappt. Produkt nach Anspruch 5, wobei jede der Schichten mit reduzierter Permeabilität zumindest ein Element umfasst, das aus der Gruppe aus Polyimid, Polyethylennaphthalat, Ethylentetrafluorethylen, Polyvinylidendifluorid, Polyestern, Polyamiden, Copolyamiden, Polyamidelastomeren, Polyurethanen, Polyurethanelastomeren, Silikonen und thermoplastischen Elastomeren gewählt ist. Produkt nach Anspruch 5, wobei zumindest eine der Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Wasserstoffpermeabilität unter 1 × 10–9 (ml(STP)-cmdick)/(s-cm2-cmHg), gemessen bei 80°C und 100% RF umfasst. Produkt nach Anspruch 5, wobei zumindest eine der Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Wasserstoffpermeabilität im Bereich von 1 × 10–9 (ml(STP)-cmdick)/(s-cm2-cmHg) bis 2 × 10–10 (ml(STP)-cmdick)/(s-cm2-cmHg), gemessen bei 80°C und 100% RF umfasst. Produkt nach Anspruch 5, wobei zumindest eine der Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Sauerstoffpermeabilität unter 3500 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm), gemessen bei 77°F und 100% RF umfasst. Produkt nach Anspruch 5, wobei zumindest eine der Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Sauerstoffpermeabilität im Bereich von 3,4 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm) bis 200 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm), gemessen bei 77°F und 100% RF umfasst. Produkt nach Anspruch 5, wobei nirgendwo entlang einem der Seitenränder der zweiten Katalysatorschicht und dem Fensterinnenrand der zweiten Schicht mit reduzierter Permeabilität ein Spalt von größer als 100 Mikrometer vorhanden ist. Produkt nach Anspruch 5, wobei nirgendwo entlang einem der Seitenränder der zweiten Katalysatorschicht und dem Fensterinnenrand der zweiten Schicht mit reduzierter Permeabilität ein Spalt von größer als 10 Mikrometer vorhanden ist. Produkt nach Anspruch 5, wobei nirgendwo entlang einem der Seitenränder der zweiten Katalysatorschicht und dem Fensterinnenrand der zweiten Schicht mit reduzierter Permeabilität ein Spalt vorhanden ist. Produkt nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht ferner einen ersten Umfangsabschnitt umfasst, der mit dem Zentralabschnitt verbunden ist, und wobei jeder der Seitenränder der ersten Schicht ein freies Ende des ersten Umfangsabschnitts ist, und wobei der erste Umfangsabschnitt zumindest eines umfasst aus: einem Katalysator und einem Material mit reduzierter Permeabilität. Produkt nach Anspruch 5, wobei die zweite Schicht ferner einen Umfangsabschnitt umfasst, der mit dem Zentralabschnitt verbunden ist, und wobei jeder der Seitenränder der zweiten Schicht ein freies Ende des zweiten Umfangsabschnitts ist, und wobei der zweite Umfangsabschnitt zumindest eines umfasst aus: einem Katalysator und einem Material mit reduzierter Permeabilität. Produkt mit:

einer ionenleitenden Membran mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite;

einer Schicht mit reduzierter Permeabilität über zumindest einer der Anodenseite und der Kathodenseite, und wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist;

einer Katalysatorschicht, die eine Vielzahl von Seitenrändern aufweist, und wobei die Katalysatorschicht einen Zentralabschnitt, der in der Öffnung in der Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist, und einen Umfangsabschnitt aufweist, der die Schicht mit reduzierter Permeabilität überlappt, und wobei jeder der Vielzahl von Seitenrändern über der Schicht mit reduzierter Permeabilität liegt;

wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Permeabilität besitzt, die kleiner als eine Permeabilität der ionenleitenden Membran ist.
Produkt nach Anspruch 20, ferner mit einer Wasserstoff/Sauerstoffrekombinationsschicht, die zwischen der Schicht mit reduzierter Permeabilität und der ionenleitenden Membran angeordnet ist. Produkt nach Anspruch 20, wobei der Wasserstoff/Sauerstoffrekombinationskatalysator zumindest ein Element umfasst, das aus der Gruppe von Platin, Ruthenium, Iridium, Palladium, Rhodium, Ag, Au, Sn, Si, Ti, Zr, Al, Hf, Ta, Nb, Ce und Kombinationen daraus, Oxiden daraus und Legierungen daraus gewählt ist. Produkt nach Anspruch 20, wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität zumindest ein Element umfasst, das aus der Gruppe aus Polyimid, Polyethylennaphthalat, Ethylentetrafluorethylen, Polyvinylidendifluorid, Polyestern, Polyamiden, Copolyamiden, Polyamidelastomeren, Polyurethanen, Polyurethanelastomeren, Silikonen und thermoplastischen Elastomeren gewählt ist. Produkt nach Anspruch 20, wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Wasserstoffpermeabilität unter 1 × 10–9 (ml(STP)-cmdick)/(s-cm2-cmHg), gemessen bei 80°C und 100% RF umfasst. Produkt nach Anspruch 20, wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Wasserstoffpermeabilität im Bereich von 1 × 10–9 (ml(STP)-cmdick)/(s-cm2-cmHg) bis 2 × 10–10 (ml(STP)-cmdick)/(s-cm2-cmHg), gemessen bei 80°C und 100% RF umfasst. Produkt nach Anspruch 20, wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Sauerstoffpermeabilität unter 3500 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm), gemessen bei 77°F und 100% RF umfasst. Produkt nach Anspruch 20, wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Sauerstoffpermeabilität im Bereich von 3,4 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm) bis 200 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm), gemessen bei 77°F und 100% RF umfasst. Produkt, mit:

einer ionenleitenden Membran mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite;

einer Schicht mit reduzierter Permeabilität über zumindest eine der Anodenseite und der Kathodenseite;

wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Permeabilität besitzt, die kleiner als eine Permeabilität der ionenleitenden Membran ist;

einem Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator, und wobei der Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator zumindest einer ist, der aus der Gruppe gewählt ist aus: imprägniert in die Schicht mit reduzierter Permeabilität und angeordnet zwischen der Membran und der Schicht mit reduzierter Permeabilität.
Produkt nach Anspruch 28, wobei der Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator zumindest ein Element umfasst, das aus der Gruppe von Platin, Ruthenium, Iridium, Palladium, Rhodium, Ag, Au, Sn, Si, Ti, Zr, Al, Hf, Ta, Nb, Ce und Kombinationen daraus, Oxiden daraus und Legierungen daraus gewählt ist. Produkt nach Anspruch 28, wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität zumindest ein Element umfasst, das aus der Gruppe aus Polyimid, Polyethylennaphthalat, Ethylentetrafluorethylen, Polyvinylidendifluorid, Polyestern, Polyamiden, Copolyamiden, Polyamidelastomeren, Polyurethanen, Polyurethanelastomeren, Silikonen und thermoplastischen Elastomeren gewählt ist. Produkt nach Anspruch 28, wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Wasserstoffpermeabilität unter 1 × 10–9 (ml(STP)-cmdick)/(s-cm2-cmHg), gemessen bei 80°C und 100% RF umfasst. Produkt nach Anspruch 28, ferner mit einer zweiten Schicht mit reduzierter Permeabilität und wobei zumindest die zweite Schicht mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Wasserstoffpermeabilität im Bereich von 1 × 10–9 (ml(STP)-cmdick)/(s-cm2-cmHg) bis 2 × 10–10 (ml(STP)-cmdick)/(s-cm2-cmHg), gemessen bei 80°C und 100% RF umfasst. Produkt nach Anspruch 28, ferner mit einer zweiten Schicht mit reduzierter Permeabilität und wobei zumindest eine der Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Sauerstoffpermeabilität unter 3500 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm), gemessen bei 77°F und 100% RF umfasst. Produkt nach Anspruch 28, ferner mit einer zweiten Schicht mit reduzierter Permeabilität und wobei zumindest eine der Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Sauerstoffpermeabilität im Bereich von 3,4 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm) bis 200 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm), gemessen bei 77°F und 100% RF umfasst. Produkt mit:

einer ionenleitenden Membran mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite;

einer anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Anodenseite, und wobei die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist;

einer Anodenkatalysatorschicht mit zumindest einem Zentralabschnitt und wobei der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht in der Öffnung in der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist;

einer kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Kathodenseite, und wobei die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist;

einer Kathodenkatalysatorschicht, die zumindest einen Zentralabschnitt aufweist und wobei der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht in der Öffnung in der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist;

wobei sowohl die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität als auch die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität jeweils eine Permeabilität besitzen, die kleiner als eine Permeabilität der ionenleitenden Membran ist;

einer ersten Schicht aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator, wobei die erste Schicht aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator zwischen der Membran und einer der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität und der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität angeordnet ist.
Produkt nach Anspruch 35, ferner mit einer zweiten Schicht aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator, wobei die erste Schicht aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator zwischen der Membran und der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität angeordnet ist und die zweite Schicht aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator zwischen der Membran und der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität angeordnet ist. Produkt nach Anspruch 35, wobei die erste Schicht aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator einen Anteil der anderen Schicht mit reduzierter Permeabilität überlappt, an der die Rekombinationskatalysatorschicht nicht zwischen der Membran angeordnet ist. Produkt nach Anspruch 35, wobei die erste Schicht aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator einen Anteil der anderen Schicht mit reduzierter Permeabilität, an der die Rekombinationskatalysatorschicht nicht zwischen der Membran angeordnet ist, um eine Distanz im Bereich von 25–1000 Mikrometer überlappt. Produkt nach Anspruch 35, wobei die erste Schicht aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator sich in die Öffnung der Schicht mit reduzierter Permeabilität erstreckt, an der die Rekombinationskatalysatorschicht zwischen der Membran angeordnet ist. Produkt nach Anspruch 35, wobei der Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator zumindest ein Element umfasst, das aus der Gruppe von Platin, Ruthenium, Iridium, Palladium, Rhodium, Ag, Au, Sn, Si, Ti, Zr, Al, Hf, Ta, Nb, Ce und Kombinationen daraus, Oxiden daraus und Legierungen daraus gewählt ist. Produkt nach Anspruch 35, wobei zumindest eine der Schichten mit reduzierter Permeabilität zumindest ein Element umfasst, das aus der Gruppe aus Polyimid, Polyethylennaphthalat, Ethylentetrafluorethylen, Polyvinylidendifluorid, Polyestern, Polyamiden, Copolyamiden, Polyamidelastomeren, Polyurethanen, Polyurethanelastomeren, Silikonen und thermoplastischen Elastomeren gewählt ist. Produkt nach Anspruch 35, wobei zumindest eine der Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Wasserstoffpermeabilität unter 1 × 10–9 (ml(STP)-cmdick)/(s-cm2-cmHg), gemessen bei 80°C und 100% RF umfasst. Produkt nach Anspruch 35, wobei zumindest eine der Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Wasserstoffpermeabilität im Bereich von 1 × 10–9 (ml(STP)-cmdick)/(s-cm2-cmHg) bis 2 × 10–10 (ml(STP)-cmdick)/(s-cm2-cmHg), gemessen bei 80°C und 100% RF umfasst. Produkt nach Anspruch 35, wobei zumindest eine der Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Sauerstoffpermeabilität unter 3500 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm), gemessen bei 77°F und 100% RF umfasst. Produkt nach Anspruch 35, wobei zumindest eine der Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Sauerstoffpermeabilität im Bereich von 3,4 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm) bis 200 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm), gemessen bei 77°F und 100% RF umfasst. Produkt mit:

einer ionenleitenden Membran mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite;

einer anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Anodenseite und wobei die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist;

einer Anodenkatalysatorschicht mit zumindest einem Zentralabschnitt, und wobei der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht in der Öffnung in der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist;

einer kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Kathodenseite, und wobei die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist;

einer Kathodenkatalysatorschicht mit zumindest einem Zentralabschnitt, und wobei der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht in der Öffnung in der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist;

wobei sowohl die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität als auch die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Permeabilität besitzen, die kleiner als eine Permeabilität der ionenleitenden Membran ist;

einem anodenseitigen Gasdiffusionsmedium mit einer ersten Fläche, die zu der Anodenkatalysatorschicht weist, und einem kathodenseitigen Gasdiffusionsmedium mit einer zweiten Fläche, die zu der Kathodenkatalysatorschicht weist, wobei zumindest ein Element aus der Gruppe gewählt ist: die Anodenkatalysatorschicht erstreckt sich nicht entlang der gesamten Länge der ersten Fläche; und die Kathodenkatalysatorschicht erstreckt sich nicht entlang der gesamten Länge der zweiten Fläche.
Produkt nach Anspruch 46, wobei die Öffnung in der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Fläche aufweist, die größer als die Fläche der Öffnung in der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität ist. Produkt nach Anspruch 46, wobei der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht größer als die Fläche des Zentralabschnitts der Kathodenkatalysatorschicht ist. Produkt nach Anspruch 46, wobei die Öffnung in der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität größer als die Fläche der Öffnung in der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität ist. Produkt nach Anspruch 46, wobei die Öffnung in der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität größer als die Fläche der Öffnung in der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität ist. Produkt nach Anspruch 46, wobei die Anodenkatalysatorschicht ferner einen Umfangsabschnitt umfasst, der zumindest einen Abschnitt der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität überlappt. Produkt nach Anspruch 46, wobei die Kathodenkatalysatorschicht ferner einen Umfangsabschnitt umfasst, der zumindest einen Abschnitt der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität überlappt. Produkt nach Anspruch 46, wobei die Anodenkatalysatorschicht ausschließlich aus dem Zentralabschnitt besteht und wobei der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht zumindest einen Seitenrand aufweist, der von der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität um eine Distanz von nicht mehr als 100 Mikrometer beabstandet ist. Produkt nach Anspruch 46, wobei die Kathodenkatalysatorschicht ausschließlich aus dem Zentralabschnitt besteht und wobei der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht zumindest einen Seitenrand aufweist, der von der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität um eine Distanz von nicht mehr als 100 Mikrometer beabstandet ist. Produkt nach Anspruch 46, wobei der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht zumindest einen Seitenrand aufweist, der von der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität um eine Distanz beabstandet ist, so dass ein anodenseitiger Spalt zwischen dem Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht und der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität vorhanden ist, und ferner mit einem anodenseitigen Umfangsschichtabschnitt, der den anodenseitigen Spalt füllt und mit dem Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht verbunden ist. Produkt nach Anspruch 55, wobei der anodenseitige Umfangsschichtabschnitt einen Katalysator umfasst. Produkt nach Anspruch 55, wobei der anodenseitige Umfangsschichtabschnitt zumindest ein Element umfasst, das aus der Gruppe aus Polyimid, Polyethylennaphthalat, Ethylentetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyester, Polyamid, Copolyamid, Polyamidelastomer, Polyurethanen, Polyurethanelastomer und Silikon gewählt ist. Produkt nach Anspruch 46, wobei der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht zumindest einen Seitenrand umfasst, der von der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität um eine Distanz beabstandet ist, so dass ein kathodenseitiger Spalt zwischen dem Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht und der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität vorhanden ist, und ferner mit einem kathodenseitigen Umfangsschichtabschnitt, der den kathodenseitigen Spalt füllt und mit dem Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht in eingriff steht. Produkt nach Anspruch 58, wobei der kathodenseitige Umfangsschichtabschnitt einen Katalysator umfasst. Produkt nach Anspruch 58, wobei der kathodenseitige Umfangsschichtabschnitt zumindest ein Element umfasst, das aus der Gruppe aus Polyimid, Polyethylennaphthalat, Ethylentetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyester, Polyamid, Copolyamid, Polyamidelastomer, Polyurethanen, Polyurethanelastomer und Silikon gewählt ist. Produkt nach Anspruch 55, wobei sich der anodenseitige Umfangsschichtabschnitt über zumindest einen Abschnitt der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität erstreckt. Produkt nach Anspruch 58, wobei sich der anodenseitige Umfangsschichtabschnitt über zumindest einen Abschnitt der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität erstreckt. Produkt nach Anspruch 58, wobei jede der Schichten mit reduzierter Permeabilität eine Permeation von Reaktandengas durch das ionenleitende Element zumindest hemmt. Produkt nach Anspruch 58, wobei jede der Schichten mit reduzierter Permeabilität eine Permeation von Reaktandengas von einer Seite des ionenleitenden Elements zu der anderen Seite an dem Umfangsrand zumindest hemmt. Produkt nach Anspruch 58, wobei die Permeabilität eine Wasserstoffpermeabilität, eine Sauerstoffpermeabilität oder beides ist. Produkt nach Anspruch 46, wobei jede der Schichten mit reduzierter Permeabilität zumindest ein Element umfasst, das aus der Gruppe aus Polyimid, Polyethylennaphthalat, Ethylentetrafluorethylen, Polyvinylidendifluorid, Polyestern, Polyamiden, Copolyamiden, Polyamidelastomeren, Polyurethanen, Polyurethanelastomeren, Silikonen und thermoplastischen Elastomeren gewählt ist. Produkt nach Anspruch 46, wobei zumindest eine der Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Wasserstoffpermeabilität unter 1 × 10–9 (ml(STP)-cmdick)/(s-cm2-cmHg), gemessen bei 80°C und 100% RF umfasst. Produkt nach Anspruch 46, wobei zumindest eine der Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Wasserstoffpermeabilität im Bereich von 1 × 10–9 (ml(STP)-cmdick)/(s-cm2-cmHg) bis 2 × 10–10 (ml(STP)-cmdick)/(s-cm2-cmHg), gemessen bei 80°C und 100 RF umfasst. Produkt nach Anspruch 46, wobei zumindest eine der Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Sauerstoffpermeabilität unter 3500 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm), gemessen bei 77°F und 100% RF umfasst. Produkt nach Anspruch 46, wobei zumindest eine der Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Sauerstoffpermeabilität im Bereich von 3,4 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm) bis 200 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm), gemessen bei 77°F und 100% RF umfasst. Produkt nach Anspruch 46, ferner umfassend, dass eine anodenseitige Gasdiffusionsmediumschicht über der Anodenkatalysatorschicht und eine erste Bipolarplatte über der anodenseitigen Gasdiffusionsmediumschicht angeordnet werden und eine kathodenseitige Gasdiffusionsmediumschicht über der Kathodenkatalysatorschicht und eine erste Bipolarplatte über der anodenseitigen Gasdiffusionsmediumschicht angeordnet werden. Produkt mit:

einer ionenleitenden Membran mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite;

einer anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Anodenseite, und wobei die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist;

einer Anodenkatalysatorschicht mit zumindest einem Zentralabschnitt, und wobei der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht in der Öffnung in der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist;

einer kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Kathodenseite und wobei die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist;

einer Kathodenkatalysatorschicht mit zumindest einem Zentralabschnitt und wobei der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht in der Öffnung in der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist;

wobei sowohl die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität als auch die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität jeweils eine Permeabilität aufweisen, die kleiner als eine Permeabilität der ionenleitenden Membran ist;

einem anodenseitigen Gasdiffusionsmedium mit einer ersten Fläche, die zu der Anodenkatalysatorschicht weist, und einem kathodenseitigen Gasdiffusionsmedium mit einer zweiten Fläche, die zu der Kathodenkatalysatorschicht weist;

wobei der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht und die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität jeweils mit der Membran verbunden sind, jedoch nicht mit dem anodenseitigen Gasdiffusionsmedium verbunden sind, und der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht und die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität jeweils mit der Membran verbunden sind, jedoch nicht mit dem kathodenseitigen Gasdiffusionsmedium verbunden sind.
Produkt nach Anspruch 72, ferner mit einer anodenseitigen mikroporösen Schicht, die zwischen dem anodenseitigen Gasdiffusionsmedium und dem Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht angeordnet ist, wobei jedoch die Anodenkatalysatorschicht nicht mit der anodenseitigen mikroporösen Schicht verbunden ist. Produkt nach Anspruch 72, ferner mit einer kathodenseitigen mikroporösen Schicht, die zwischen dem kathodenseitigen Gasdiffusionsmedium und dem Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht angeordnet ist, wobei jedoch die Kathodenkatalysatorschicht nicht mit der kathodenseitigen mikroporösen Schicht verbunden ist. Produkt nach Anspruch 72, wobei zumindest eine der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität und der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität zumindest ein Element umfasst, das aus der Gruppe von Polyimid, Polyesterterephthalat, Polyvinylidendifluorid gewählt ist. Produkt mit: einem Anordnungsabziehplättchen mit einer Katalysatorschicht, einer Schicht mit reduzierter Permeabilität und einer Verstärkung, und wobei zumindest eine der Katalysatorschicht und der Schicht mit reduzierter Permeabilität an der Verstärkung angebracht ist. Produkt nach Anspruch 76, wobei zumindest ein Abschnitt der Schicht mit reduzierter Permeabilität einen Abschnitt der Katalysatorschicht überlappt. Produkt nach Anspruch 76, ferner mit einer Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationsschicht über zumindest einem Abschnitt der Schicht mit reduzierter Permeabilität. Produkt nach Anspruch 78, wobei der Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator zumindest ein Element umfasst, das aus der Gruppe von Platin, Ruthenium, Iridium, Palladium, Rhodium, Ag, Au, Sn, Si, Ti, Zr, Al, Hf, Ta, Nb, Ce und Kombinationen daraus, Oxiden daraus und Legierungen daraus gewählt ist. Produkt nach Anspruch 76, wobei sowohl die Schicht mit reduzierter Permeabilität als auch die Katalysatorschicht an der Verstärkung angebracht sind. Produkt mit:

einem Brennstoffzellenstapel, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst, wobei jede der Vielzahl von Brennstoffzellen eine Anordnung umfasst, mit:

einer ionenleitenden Membran mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite;

einer ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität über zumindest einer der Anodenseite und der Kathodenseite, und wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist, die durch einen Fensterinnenrand definiert ist;

wobei die erste Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Permeabilität aufweist, die kleiner als eine Permeabilität der ionenleitenden Membran ist;

einer ersten Schicht mit einer Vielzahl von Seitenrändern, und wobei die erste Schicht einen Zentralabschnitt aufweist, der in der Öffnung in der ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist, und wobei die erste Schicht einen Katalysator umfasst;

und wobei für im Wesentlichen jede Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels nirgendwo entlang einem der Seitenränder der ersten Schicht und dem Fensterinnenrand der ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität ein Spalt von größer als 500 Mikrometer vorhanden ist.
Produkt nach Anspruch 81, wobei für im Wesentlichen jede Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels nirgendwo entlang einem der Seitenränder der ersten Katalysatorschicht und dem Fensterinnenrand der ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität ein Spalt von größer als 100 Mikrometer vorhanden ist. Produkt nach Anspruch 81, wobei für im Wesentlichen jede Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels nirgendwo entlang einem der Seitenränder der ersten Katalysatorschicht und dem Fensterinnenrand der ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität ein Spalt von größer als 10 Mikrometer vorhanden ist. Produkt nach Anspruch 81, wobei für im Wesentlichen jede Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels nirgendwo entlang einem der Seitenränder der ersten Katalysatorschicht und dem Fensterinnenrand der ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität ein Spalt vorhanden ist. Produkt nach Anspruch 81, wobei die Schichten mit reduzierter Permeabilität zumindest ein Element umfassen, das aus der Gruppe aus Polyimid, Polyethylennaphthalat, Ethylentetrafluorethylen, Polyvinylidendifluorid, Polyestern, Polyamiden, Copolyamiden, Polyamidelastomeren, Polyurethanen, Polyurethanelastomeren, Silikonen und thermoplastischen Elastomeren gewählt ist. Produkt nach Anspruch 81, wobei die Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Wasserstoffpermeabilität unter 1 × 10–9 (ml(STP)-cmdick)/(s-cm2-cmHg), gemessen bei 80°C und 100% RF umfassen. Produkt nach Anspruch 81, wobei die Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Wasserstoffpermeabilität im Bereich von 1 × 10–9 (ml(STP)-cmdick)/(s-cm2-cmHg) bis 2 × 10–10 (ml(STP)-cmdick)/(s-cm2-cmHg), gemessen bei 80°C und 100% RF umfassen. Produkt nach Anspruch 81, wobei die Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Sauerstoffpermeabilität unter 3500 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm), gemessen bei 77°F und 100% RF umfassen. Produkt nach Anspruch 81, wobei die Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Sauerstoffpermeabilität im Bereich von 3,4 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm) bis 200 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm), gemessen bei 77°F und 100% RF umfassen. Prozess, umfassend, dass:

eine Schicht mit reduzierter Permeabilität über einer protonenleitenden Membran abgeschieden wird, wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung darin aufweist, die durch einen Fensterinnenrand definiert ist;

eine Katalysatorschicht über der Membran abgeschieden wird, so dass ein Zentralabschnitt der Katalysatorschicht in der Öffnung aufgenommen ist, wobei die Katalysatorschicht zumindest einen Seitenrand aufweist; wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität und die Katalysatorschicht so angeordnet werden, dass nirgendwo entlang der gesamten Länge des Seitenrandes der Katalysatorschicht ein Spalt zwischen dem Katalysatorseitenrand und dem Fensterinnenrand vorhanden ist, der größer als 500 Mikrometer ist.
Prozess nach Anspruch 90, wobei nirgendwo entlang der gesamten Länge des Seitenrandes der Katalysatorschicht ein Spalt zwischen dem Katalysatorseitenrand und dem Fensterinnenrand vorhanden ist, der größer als 100 Mikrometer ist. Prozess nach Anspruch 90, wobei nirgendwo entlang der gesamten Länge des Seitenrandes der Katalysatorschicht ein Spalt zwischen dem Katalysatorseitenrand und dem Fensterinnenrand vorhanden ist, der größer als 10 Mikrometer ist. Prozess nach Anspruch 90, wobei das Abscheiden einer Schicht mit reduzierter Permeabilität zumindest ein Verfahren umfasst, das aus der Gruppe aus Beschichten eines Materials mit reduzierter Permeabilität, Sprühen eines Materials mit reduzierter Permeabilität, Siebdrucken eines Materials mit reduzierter Permeabilität und Aufbringen eines Abziehplättchens, das ein Material mit reduzierter Permeabilität umfasst, gewählt ist. Prozess nach Anspruch 90, ferner umfassend, dass ein Klebstoff auf der Membran vor der Abscheidung der Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Membran aufgebracht wird. Prozess nach Anspruch 90, wobei das Abscheiden einer Katalysatorschicht zumindest eines aus Beschichten eines Materials, das einen Katalysator umfasst, Sprühen eines Materials, das einen Katalysator umfasst, Siebdrucken eines Materials, das einen Katalysator umfasst, und Aufbringen eines Abziehplättchens, das ein Material umfasst, das einen Katalysator umfasst, umfasst. Prozess, umfassend, dass:

eine Membran, eine Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Membran, wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist, die durch einen Fensterinnenrand definiert ist, und eine Katalysatorschicht vorgesehen werden, die einen Zentralabschnitt aufweist, der in der Öffnung aufgenommen ist, und wobei die Katalysatorschicht zumindest einen Seitenrand aufweist;

eine erste Schicht über der Schicht mit reduzierter Permeabilität entlang des Fensterinnenrandes und über dieser Katalysatorschicht entlang des Seitenrandes der Katalysatorschicht angeordnet wird, und wobei die erste Schicht zumindest eines aus einem Katalysator und einem Material mit reduzierter Permeabilität umfasst.
Prozess nach Anspruch 96, wobei das Anordnen einer ersten Schicht zumindest eines aus Beschichten eines Materials, Sprühen eines Materials, Siebdrucken eines Materials und Aufbringen eines Abziehplättchens, das die erste Schicht darin aufweist, umfasst. Prozess nach Anspruch 96, ferner umfassend, dass die Schicht mit reduzierter Permeabilität so gewählt wird, dass die erste Schicht daran anbindet oder daran laminiert wird. Prozess nach Anspruch 96, ferner umfassend, dass die Schicht mit reduzierter Permeabilität vorbehandelt wird, um eine verbesserte Anbindung oder Anhaftung der Schicht mit reduzierter Permeabilität an der Membran und der Katalysatorschicht vorzusehen. Prozess nach Anspruch 96, wobei das Anordnen einer ersten Schicht umfasst, dass ein fließfähiges Material entlang des Seitenrandes der Katalysatorschicht aufgestrichen wird. Prozess, umfassend, dass:

eine Membran, eine Schicht mit reduzierter Permeabilität und eine Katalysatorschicht ausgerichtet werden, wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität eine hindurch ausgebildete Öffnung aufweist, die durch einen Fensterinnenrand definiert ist, und wobei die Katalysatorschicht einen Zentralabschnitt aufweist, der mit der Öffnung in der Schicht mit reduzierter Permeabilität ausgerichtet ist, und die Katalysatorschicht einen Seitenrand aufweist;

die Membran, die Schicht mit reduzierter Permeabilität und die Katalysatorschicht miteinander verbunden werden, um ein Produkt zu erzeugen;

die Ausricht- und Verbindungsschritte wiederholt werden, um eine Vielzahl von Produkten zu erzeugen, und periodisch zumindest eines der Produkte geprüft wird, und die Ausrichtung der Katalysatorschicht bezüglich der Schicht mit reduzierter Permeabilität eingestellt wird, wenn ein Spalt zwischen dem Fensterinnenrand und dem Seitenrand vorhanden ist, der größer als 500 Mikrometer ist.
Prozess nach Anspruch 101, wobei das Einstellen der Ausrichtung der Katalysatorschicht bezüglich der Schicht mit reduzierter Permeabilität ausgeführt wird, wenn der Spalt größer als 100 Mikrometer ist. Prozess nach Anspruch 101, wobei das Einstellen der Ausrichtung der Katalysatorschicht bezüglich der Schicht mit reduzierter Permeabilität ausgeführt wird, wenn der Spalt größer als 10 Mikrometer ist. Prozess nach Anspruch 101, ferner mit einem Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator, wobei der Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator zumindest einer ist aus: imprägniert in zumindest eine der Anodenschicht mit reduzierter Permeabilität und Kathodenschicht mit reduzierter Permeabilität; beschichtet auf die Membran; und beschichtet auf zumindest eine der Anodenschicht mit reduzierter Permeabilität und der Kathodenschicht mit reduzierter Permeabilität. Prozess, umfassend, dass:

eine Membran, eine Schicht mit reduzierter Permeabilität und eine Katalysatorschicht ausgerichtet werden, wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität eine hindurch ausgebildete Öffnung aufweist, die durch einen Fensterinnenrand definiert ist, und wobei die Katalysatorschicht einen Zentralabschnitt aufweist, der mit der Öffnung in der Schicht mit reduzierter Permeabilität ausgerichtet ist und die Katalysatorschicht einen Seitenrand aufweist;

die Membran, die Schicht mit reduzierter Permeabilität und die Katalysatorschicht miteinander verbunden werden, um ein Produkt zu erzeugen;

die Ausricht- und Verbindungsschritte zumindest 2000 mal nacheinander wiederholt werden, um zumindest 2000 Produkte zu erzeugen, und wobei keines der Produkte einen Spalt zwischen dem Fensterinnenrand und dem Seitenrand aufweist, der größer als 500 Mikrometer ist.
Prozess nach Anspruch 105, wobei keines der Produkte einen Spalt zwischen dem Fensterinnenrand und dem Seitenrand aufweist, der größer als 100 Mikrometer ist. Prozess nach Anspruch 105, wobei keines der Produkte einen Spalt zwischen dem Fensterinnenrand und dem Seitenrand aufweist, der größer als 10 Mikrometer ist. Prozess nach Anspruch 105, wobei keines der Produkte einen Spalt zwischen dem Fensterinnenrand und dem Seitenrand aufweist. Prozess, umfassend, dass

eine ionenleitende Membran mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite vorgesehen wird;

eine Abziehplättchenanordnung über einer der ersten Seite und zweiten Seite angeordnet wird, wobei die Abziehplättchenanordnung eine erste Katalysatorschicht, die zumindest einen Zentralabschnitt aufweist, eine erste Schicht mit reduzierter Permeabilität, die eine Öffnung hindurch aufweist, wobei zumindest ein Abschnitt der ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität einen Abschnitt der ersten Katalysatorschicht überlappt, und eine Verstärkung umfasst, so dass der Zentralabschnitt der ersten Katalysatorschicht mit der Öffnung in der ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität ausgerichtet wird;

das Anordnungsabziehplättchen und die Membran miteinander heißgepresst werden, so dass der Zentralabschnitt der ersten Katalysatorschicht in der Öffnung in der ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen wird;

die Verstärkung von dem Anordnungsabziehplättchen entfernt wird;

und wobei die erste Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Permeabilität aufweist, die kleiner als eine Permeabilität der ionenleitenden Membran ist.
Prozess nach Anspruch 109, ferner mit einem Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator, wobei der Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator zumindest einer ist, der aus der Gruppe gewählt ist aus: imprägniert in die erste Schicht mit reduzierter Permeabilität; und beschichtet auf zumindest eines der ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität und der Membran. Prozess nach Anspruch 109, ferner mit einer Beschichtung aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator auf der ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität des Anordnungsabziehplättchens. Prozess nach Anspruch 109, ferner mit einer Beschichtung aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator auf der ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität des Anordnungsabziehplättchens, und wobei die Beschichtung aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator sich in die Öffnung der ersten Schicht mit reduzierter Permeabilität erstreckt. Prozess nach Anspruch 112, wobei der Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator zumindest ein Element umfasst, das aus der Gruppe von Platin, Ruthenium, Iridium, Palladium, Rhodium, Ag, Au, Sn, Si, Ti, Zr, Al, Hf, Ta, Nb, Ce und Kombinationen daraus, Oxiden daraus und Legierungen daraus gewählt ist. Prozess, umfassend, dass:

eine ionenleitende Membran mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite vorgesehen wird;

ein Anodenkatalysatorabziehplättchen angeordnet wird, das eine Anodenkatalysatorschicht, die zumindest einen Zentralabschnitt, eine anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität, wobei die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist, und eine Verstärkung umfasst, so dass der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht mit der Öffnung in der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität ausgerichtet wird;

ein Kathodenkatalysatorabziehplättchen angeordnet wird, das eine Kathodenkatalysatorschicht, die zumindest einen Zentralabschnitt aufweist, eine kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität, wobei die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist, und eine Verstärkung umfasst, so dass der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht mit der Öffnung in der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität ausgerichtet wird;

das Anodenkatalysatorabziehplättchen, die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität, die Membran, das Kathodenkatalysatorabziehplättchen und die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität miteinander heißgepresst werden, so dass der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht in der Öffnung in der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen wird, und so dass der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht in der Öffnung in der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen wird;

die Verstärkung von sowohl dem Anodenkatalysatorabziehplättchen als auch dem Kathodenkatalysatorabziehplättchens entfernt wird;

und wobei sowohl die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität als auch die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Permeabilität aufweisen, die kleiner als eine Permeabilität der ionenleitenden Membran ist.
Prozess nach Anspruch 114, ferner mit einem Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator, wobei der Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator zumindest einer ist, der aus der Gruppe gewählt ist: imprägniert in zumindest eine der Anodenschicht mit reduzierter Permeabilität und Kathodenschicht mit reduzierter Permeabilität; beschichtet auf die Membran; und beschichtet auf zumindest eine der Anodenschicht mit reduzierter Permeabilität und Kathodenschicht mit reduzierter Permeabilität. Prozess nach Anspruch 114, ferner mit einem Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator, wobei der Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator auf zumindest eine der Anodenschicht mit reduzierter Permeabilität und der Kathodenschicht mit reduzierter Permeabilität beschichtet ist. Prozess nach Anspruch 114, ferner mit einem Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator, wobei der Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator in zumindest eine der Anodenschicht mit reduzierter Permeabilität und der Kathodenschicht mit reduzierter Permeabilität imprägniert ist. Prozess nach Anspruch 114, ferner mit einem Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator, wobei der Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator auf die Membran beschichtet ist. Prozess nach Anspruch 118, wobei der Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator zumindest ein Element umfasst, das aus der Gruppe von Platin, Ruthenium, Iridium, Palladium, Rhodium, Ag, Au, Sn, Si, Ti, Zr, Al, Hf, Ta, Nb, Ce und Kombinationen daraus, Oxiden daraus und Legierungen daraus gewählt ist. Prozess, umfassend, dass:

eine ionenleitende Membran mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite vorgesehen wird;

eine anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Anodenseite angeordnet wird, und wobei die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist;

ein Anodenkatalysatorabziehplättchen angeordnet wird, das eine Anodenkatalysatorschicht, die zumindest einen Zentralabschnitt aufweist, und eine Verstärkung umfasst, so dass der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht mit der Öffnung in der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität ausgerichtet ist;

eine kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Kathodenseite angeordnet wird, wobei die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist;

ein Kathodenkatalysatorabziehplättchen angeordnet wird, das eine Kathodenkatalysatorschicht, die zumindest einen Zentralabschnitt aufweist, und eine Verstärkung umfasst, so dass der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht mit der Öffnung in der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität ausgerichtet ist;

das Anodenkatalysatorabziehplättchen, die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität, die Membran, das Kathodenkatalysatorabziehplättchen und die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität gemeinsam heißgepresst werden, so dass der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht in der Öffnung in der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist, und so dass der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht in der Öffnung in der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist;

die Verstärkung von jedem des Anodenkatalysatorabziehplättchens und dem Kathodenkatalysatorabziehplättchen entfernt wird;

und wobei sowohl die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität als auch die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Permeabilität aufweisen, die kleiner als eine Permeabilität der ionenleitenden Membran ist.
Prozess nach Anspruch 120, wobei die Öffnung in der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Fläche aufweist, die größer als die Fläche der Öffnung in der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität ist. Prozess nach Anspruch 120, wobei der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht sich entlang des gesamten Umfangs über der Öffnung der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität erstreckt. Prozess nach Anspruch 120, wobei die Membran perfluorierte Sulfonsäurepolymere oder andere protonenleitende Membrane umfasst. Prozess nach Anspruch 120, wobei die Öffnung in der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität sich einwärts erstreckt und die Öffnung in der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität entlang des gesamten Umfangs von der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität überlappt. Prozess nach Anspruch 120, wobei die Anodenkatalysatorschicht ferner einen Umfangsabschnitt umfasst, der zumindest einen Abschnitt der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität überlappt. Prozess nach Anspruch 120, wobei die Kathodenkatalysatorschicht ferner einen Umfangsabschnitt umfasst, der zumindest einen Abschnitt der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität überlappt. Prozess nach Anspruch 120, wobei die Anodenkatalysatorschicht ausschließlich aus dem Zentralabschnitt besteht, und wobei der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht zumindest einen Seitenrand aufweist, der von der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität um eine Distanz von nicht größer als 500 Mikrometer beabstandet ist. Prozess nach Anspruch 120, wobei die Kathodenkatalysatorschicht ausschließlich aus dem Zentralabschnitt besteht, und wobei der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht zumindest einen Seitenrand aufweist, der von der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität um eine Distanz im Bereich von nicht größer als 500 Mikrometer beabstandet ist. Prozess nach Anspruch 120, wobei der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht zumindest einen Seitenrand aufweist, der von der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität um eine Distanz beabstandet ist, so dass ein anodenseitiger Spalt zwischen dem Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht und der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität vorhanden ist, und ferner umfassend, dass ein Material, das einen Füllstoff und einen flüchtigen Träger umfasst, zumindest in den anodenseitigen Spalt fließt, um diesen zu füllen, und ermöglicht wird, dass der Träger verdunstet. Prozess nach Anspruch 129, wobei der Füllstoff einen Katalysator umfasst. Prozess nach Anspruch 129, wobei der Füllstoff zumindest ein Element umfasst, das aus der Gruppe aus Polyimid, Polyethylennaphthalat, Ethylentetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyester, Polyamid, Copolyamid, Polyamidelastomer, Polyurethan, Polyurethanelastomer und Silikon gewählt ist. Prozess nach Anspruch 129, wobei der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht zumindest einen Seitenrand aufweist, der von der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität um eine Distanz beabstandet ist, so dass ein anodenseitiger Spalt zwischen dem Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht und der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität vorhanden ist, und ferner umfassend, dass ein Material, das einen Füllstoff und einen flüchtigen Träger umfasst, in den anodenseitigen Spalt, um diesen zu füllen, und über zumindest einen Abschnitt der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität fließt, und erlaubt wird, dass der Träger verdunsten kann, um eine Anodenumfangsabschnittschicht vorzusehen, die mit dem Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht verbunden ist. Prozess nach Anspruch 132, wobei der Füllstoff einen Katalysator umfasst. Prozess nach Anspruch 132, wobei der Füllstoff zumindest ein Element umfasst, das aus der Gruppe aus Polyimid, Polyethylennaphthalat, Ethylentetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyester, Polyamid, Copolyamid, Polyamidelastomer, Polyurethanen, Polyurethanelastomer und Silikon gewählt ist. Prozess nach Anspruch 132, wobei der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht zumindest einen Seitenrand aufweist, der von der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität um eine Distanz beabstandet ist, so dass ein kathodenseitiger Spalt zwischen dem Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht und der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität existiert, und ferner umfassend, dass ein Material, das einen Füllstoff und einen flüchtigen Träger umfasst, zumindest in den kathodenseitigen Spalt fließt, um diesen zu füllen, und erlaubt wird, dass der Träger verdunsten kann. Prozess nach Anspruch 135, wobei der Füllstoff einen Katalysator umfasst. Prozess nach Anspruch 135, wobei der Füllstoff zumindest ein Element umfasst, das aus der Gruppe aus Polyimid, Polyethylennaphthalat, Ethylentetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyester, Polyamid, Copolyamid, Polyamidelastomer, Polyurethanen, Polyurethanelastomer und Silikon gewählt ist. Prozess nach Anspruch 135, wobei der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht zumindest einen Seitenrand aufweist, der von der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität um eine Distanz beabstandet ist, so dass ein kathodenseitiger Spalt zwischen dem Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht und der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität vorhanden ist, und ferner umfassend, dass ein Material, das einen Füllstoff und einen flüchtigen Träger umfasst, in den kathodenseitigen Spalt, um diesen zu füllen, und über zumindest einen Abschnitt der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität fließt, und erlaubt wird, dass der Träger verdunsten kann, um eine Kathodenumfangsabschnittsschicht vorzusehen, die mit dem Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht verbunden ist. Prozess nach Anspruch 138, wobei der Füllstoff einen Katalysator umfasst. Prozess nach Anspruch 138, wobei der Füllstoff zumindest ein Element umfasst, das aus der Gruppe aus Polyimid, Polyethylennaphthalat, Ethylentetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyester, Polyamid, Copolyamid, Polyamidelastomer, Polyurethanen, Polyurethanelastomer und Silikon gewählt ist. Prozess nach Anspruch 120, wobei jede der Schichten mit reduzierter Permeabilität eine Permeation von Reaktandengas durch die ionenleitende Membran zumindest hemmt. Prozess nach Anspruch 120, wobei jede der Schichten mit reduzierter Permeabilität eine Permeation von Reaktandengas von einer Seite der ionenleitenden Membran zu der anderen Seite an einem Umfangsrand zumindest hemmt. Prozess nach Anspruch 120, wobei die Permeabilität eine Wasserstoffpermeabilität, eine Sauerstoffpermeabilität oder beides ist. Prozess nach Anspruch 120, wobei jede der Schichten mit reduzierter Permeabilität zumindest ein Element umfasst, das aus der Gruppe aus Polyimid, Polyethylennaphthalat, Ethylentetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyestern, Polyamiden, Copolyamiden, Polyamidelastomeren, Polyurethanen, Polyurethanelastomeren, Silikonen und thermoplastischen Elastomeren gewählt ist. Prozess nach Anspruch 120, wobei zumindest eine der Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Wasserstoffpermeabilität unter 1 × 10–9 (ml(STP)-cmdick)/(s-cm2-cmHg), gemessen bei 80°C und 100% RF umfasst. Prozess nach Anspruch 120, wobei zumindest eine der Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Wasserstoffpermeabilität im Bereich von 1 × 10–9 (ml(STP)-cmdick)/(s-cm2-cmHg) bis 2 × 10–10 (ml(STP)-cmdick)/(s-cm2-cmHg), gemessen bei 80°C und 100% RF umfasst. Prozess nach Anspruch 120, wobei zumindest eine der Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Sauerstoffpermeabilität unter 3500 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm), gemessen bei 77°F und 100% RF umfasst. Prozess nach Anspruch 120, wobei zumindest eine der Schichten mit reduzierter Permeabilität ein Material mit einer Sauerstoffpermeabilität im Bereich von 3,4 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm) bis 200 cc-mil/(100 Zoll2-24 h-atm), gemessen bei 77°F und 100% RF umfasst. Prozess nach Anspruch 120, ferner umfassend, dass eine anodenseitige Gasdiffusionsmediumschicht über der Anodenkatalysatorschicht und eine erste Bipolarplatte über der anodenseitigen Gasdiffusionsmediumschicht angeordnet werden, und eine kathodenseitige Gasdiffusionsmediumschicht über der Kathodenkatalysatorschicht und eine erste Bipolarplatte über der anodenseitigen Gasdiffusionsmediumschicht angeordnet werden. Prozess nach Anspruch 120, wobei das Heißpressen umfasst, dass das Anodenkatalysatorabziehplättchen, die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität, die Membran, die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität und die Kathodenschicht auf eine Temperatur im Bereich zwischen 280 F bis 400 F erhitzt werden und ein Druck im Bereich von 100 psi bis 500 psi auf diese aufgebracht wird. Prozess nach Anspruch 120, ferner mit einem Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator, wobei der Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator zumindest ein Element ist, das aus der Gruppe gewählt ist: imprägniert in zumindest eine der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität und der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität; und beschichtet auf zumindest eine der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität, der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität und der Membran. Prozess nach Anspruch 120, ferner mit einer Beschichtung aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator auf sowohl der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität und der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität und der Membran. Prozess nach Anspruch 120, ferner mit einer Beschichtung aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator auf einer der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität und der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität und der Membran, wobei die Beschichtung aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator einen Abschnitt der anderen Schicht mit reduzierter Permeabilität überlappt. Prozess nach Anspruch 120, ferner mit einer Beschichtung aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator auf einer der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität und der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität und der Membran, und wobei die Beschichtung aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator einen Abschnitt der anderen Schicht mit reduzierter Permeabilität um eine Distanz im Bereich von 25–1000 Mikrometer überlappt. Prozess nach Anspruch 120, ferner mit einer Beschichtung aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator, die an einer der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität und der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität angebracht ist, und wobei sich die Beschichtung aus Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinationskatalysator in die Öffnung der Schicht mit reduzierter Permeabilität, an der der Rekombinationskatalysator angebracht ist, erstreckt. Prozess, umfassend, dass:

eine ionenleitende Membran mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite vorgesehen wird;

eine anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Anodenseite angeordnet wird, wobei die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist; ein Anodenkatalysatorabziehplättchen angeordnet wird, das im Wesentlichen aus einem Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht und einer Verstärkung besteht, so dass der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht mit der Öffnung in der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität ausgerichtet ist;

eine kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Kathodenseite angeordnet wird, wobei die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist;

ein Kathodenkatalysatorabziehplättchen angeordnet wird, das im Wesentlichen aus einem Zentralabschnitt einer Kathodenkatalysatorschicht und einer Verstärkung besteht, so dass der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht mit der Öffnung in der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität ausgerichtet ist;

das Anodenkatalysatorabziehplättchen, die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität, die Membran, das Kathodenkatalysatorabziehplättchen und die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität gemeinsam heißgepresst werden, so dass der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht in der Öffnung in der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen wird, und so dass der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht in der Öffnung in der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen wird;

die Verstärkung von dem Anodenkatalysatorabziehplättchen entfernt wird und die Verstärkung von dem Kathodenkatalysatorabziehplättchen entfernt wird;

wobei der Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht zumindest einen Seitenrand aufweist, der von der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität um eine Distanz beabstandet ist, so dass ein anodenseitiger Spalt zwischen dem Zentralabschnitt der Anodenkatalysatorschicht und der anodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität vorhanden ist, und ferner umfassend, dass ein erstes Material, das einen ersten Füllstoff und einen ersten flüchtigen Träger umfasst, zumindest in den anodenseitigen Spalt fließt, um diesen zu füllen, und erlaubt wird, dass der erste Träger verdunsten kann;

wobei der Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht zumindest einen Seitenrand aufweist, der von der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität um eine Distanz beabstandet ist, so dass ein kathodenseitiger Spalt zwischen dem Zentralabschnitt der Kathodenkatalysatorschicht und der kathodenseitigen Schicht mit reduzierter Permeabilität vorhanden ist, und ferner umfassend, dass ein zweites Material, das einen zweiten Füllstoff und einen zweiten flüchtigen Träger umfasst, zumindest in den kathodenseitigen Spalt fließt, um diesen zu füllen, und erlaubt wird, dass der zweite Träger verdunsten kann,

und wobei sowohl die anodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität als auch die kathodenseitige Schicht mit reduzierter Permeabilität jeweils eine Permeabilität besitzen, die kleiner als eine Permeabilität der ionenleitenden Membran ist.
Prozess nach Anspruch 156, wobei zumindest einer des ersten Füllstoffs und des zweiten Füllstoffs einen Katalysator umfasst. Prozess nach Anspruch 156, wobei zumindest einer des ersten Füllstoffs und des zweiten Füllstoffs zumindest ein Element umfasst, das aus der Gruppe aus Polyimid, Polyethylennaphthalat, Ethylentetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyester, Polyamid, Copolyamid, Polyamidelastomer, Polyurethanen, Polyurethanelastomer und Silikon gewählt ist. Produkt, mit:

einem Brennstoffzellenstapel, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst, wobei im Wesentlichen jede der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels eine Anordnung umfasst, die umfasst: eine ionenleitende Membran mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite;

eine Schicht mit reduzierter Permeabilität über zumindest einer der Anodenseite und der Kathodenseite, wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Öffnung hindurch aufweist und die Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Vielzahl von Seiten aufweist;

einer Katalysatorschicht mit einer Vielzahl von Seitenrändern, wobei die Katalysatorschicht einen Zentralabschnitt, der in der Öffnung in der Schicht mit reduzierter Permeabilität aufgenommen ist, und einen Umfangsabschnitt für jeden Seitenrand der Katalysatorschicht aufweist, wobei jeder Umfangsabschnitt die Schicht mit reduzierter Permeabilität überlappt, und wobei jeder der Vielzahl von Seitenrändern entlang einer der Seiten der Schicht mit reduzierter Permeabilität über der Schicht mit reduzierter Permeabilität liegt; und

wobei die Schicht mit reduzierter Permeabilität eine Permeabilität besitzt, die kleiner als eine Permeabilität der ionenleitenden Membran ist.






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