AT502129A1

AT502129A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer lateralen brennstoffzelle

Info

Publication number: AT502129A1
Application number: AT0203704A
Authority: AT
Inventors: Karl Dr Gruber
Original assignee: Karl Dr Gruber
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2007-01-15
Also published as: WO2006058357A3; DE112005002843A5; WO2006058357A2

Description

Einleitung:

Gegenstand der Erfindung ist eine laterale PEM Brennstoffeelle, sowie Verfahren und Vorrichtungen zu deren Herstellung. Die Erfindung betrifft insbesondere die Abdichtung zwischen den Brennstoff- und Oxidationsmittel führenden Kanälen. PEM Brennstoffzellen sind elektrochemische Zellen die vereinfachend aus Anode, Kathode und dazwischen liegendem polymeren Festelektrolyten bestehen. Durch elektrochemische Umsetzung eines Brennstoffes und eines Oxidationsmittels an den Elektroden kann elektrische Energie gewonnen werden.

Stand der Technik sind dabei Zellen in Filterpressenbauweise, bei denen jeweils mehrere Membran Elektroden Einheiten, getrennt durch leitfähige bipolare Platten, zu Stapeln (Stacks) zusammengebaut werden [z.B.:US 4,175,165]. Die Abdichtung der einzelnen Zellsegmente voneinander erfolgt bei dieser "vertikalen" Bauweise durch Zusammenpressen der Bipolarplatten mit der Polymermembran und Dichtungsringen. Die Presskraft wird üblicherweise durch Zusammenschrauben des Brennstoffeellenstapels aufgebracht. Alternativ dazu kann eine Abdichtung auch durch Verkleben oder Verschweißen der Polymermembran mit den Bipolarplatten erreicht werden.

In [US 2004/0058226] wird eine planare Anordnung der Elektroden auf der Membran beschrieben. In [SJ.Lee et al. Journal ofPower Sources, 112,410-418,2002] sowie [DE 4443939 CI] werden weitere mögliche Bauarten für laterale Brennstoffeellen beschrieben. Diese "lateralen" Bauweisen unterscheiden sich prinzipiell von der "vertikalen" Bauweise. Ebenso unterscheiden sich die Herstellungstechniken für die lateralen Bauweisen grundsätzlich von den Herstellungstechniken für Zellen in "vertikaler" Ausführung.

Bei der Herstellung und beim Betrieb von "lateralen" Brennstoffzellen tritt das Problem auf, daß die Brennstoff führenden Kanäle und die Kanäle mit dem Oxidationsmittel (meist Sauerstoff) direkt nebeneinander auf derselben Seite der Membran liegen. Die Kanäle müssen dicht gegeneinander schließen um chemische Kurzschlüsse zu vermeiden.

Je näher die Kanäle beieinander liegen, desto kleiner werden die Dichtflächen und umso schwieriger wird deren Abdichtung. Darüber hinaus bestehen große Schwierigkeiten, falls die Membranelektrodeneinheit und das "Flow field" separat voneinander hergestellt werden, da die Teile beim Assembling exakt und dicht zusammen passen müssen.

Ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine PEM Brennstoffzelle, die einfach zu fertigen ist, eine optimale Dichtheit zwischen den Brennstoff- und Oxidationsmittel führenden Kanälen aufweist und ein einfaches Assembling zulässt.

Beschreibung der Erfindung: (I) Wie in Figur 4 beschrieben besteht die laterale PEM Brennstoffeelle aus einem Grundkörper (1), der auf beiden Seiten ein mikrostrukturiertes "Flow field", aus vielen nebeneinander liegenden Kanälen, aufweist. Die Membran (2) ist mit den Kanalstegen verbunden und dichtet so die Kanäle gegeneinander ab. Die Elektroden (3,4) liegen als Streifen auf der Membran entlang der Kanäle vor. Die Ableitung der Kathode (6) erfolgt über die Kanalwände an die "Rückseite" (Figur 2) des Grundkörpers.

Die Herstellung des mikrostrukturierten Grundkörpers erfolgt mit einem Gieß- oder Prägeverfahren, oder durch mechanische Bearbeitung (z.B. Fräsen). Das Material des Grundkörpers besteht aus einem anorganischen Nichtleiter, Halbleiter oder Kunststoff. Vorzugsweise ist das Material durch chemische oder physikalische Verfahren metallisierbar. (II) Die Kanäle liegen in einem Abstand von 1 bis 1000 μπι, vorzugsweise zwischen 20 und 180 pm auseinander. Die Kanäle liegen vorzugsweise parallel nebeneinander. Auf der Oberseite des Grundkörpers (Figur 1) bilden die Kanäle das "Flow field" für den Brennstoff und das Oxidationsmittel (Luft). An der Rückseite des Grundkörpers (Figur 2) sind Öffnungen für den Oxidationsmitteleintritt angebracht. In der beispielhaften Ausführung der Erfindung sind die Kanäle für das Oxidationsmittel durchgehend durch den gesamten Querschnitt des Grundkörpers ausgebildet. Die Kanäle können jedoch auch unterbrochen sein (z.B. einfache Bohrungen). (III) Die Elektroden (3,4) sind fest mit der Membran (2) verbunden. Die Elektrokatalysatoren bestehen typischerweise aus metallischen Edelmetallpartikeln ("metal blacks"), oder aus Edelmetallpartikel aufgebracht auf Katalysatorträgermaterial wie Ruß oder Carbon Nanotubes. Als Zusatzstoffe werden leitfähiges Polymer, Nafion oder Teflon zugesetzt. (IV) Die elektrische Ableitung (5,6) erfolgt über dünne Metallfilme an den Kanalwänden bzw. an der Unterseite des Grundkörpers (1). Diese Metallschichten bestehen aus Edelmetall, vorzugsweise aus Gold- oder Goldlegierungsschichten. Die Aufbringung dieser Schichten erfolgt chemisch oder galvanisch oder mittels CVD oder PVD Techniken. (V) Die elektrische Ableitung kann in einer weiteren Ausbildung der Erfindung auch über metallische Drähte oder Kohlefasem erfolgen, die in die Elektrodenschicht eingebettet sind. Diese Drähte bestehen vollständig oder teilweise aus Edelmetallen, vorzugsweise aus Au, Pt, Ir, Rh, Pd, Ru, und deren Legierungen, bzw, aus metallischen, keramischen oder polymerren Verbundwerkstoffen, die zumindest eines der genannten,Edelmetalle enthält. (VI) In die Kanäle des Grundkörpers wird die Elektrodenmasse zusammen mit Füllstoffen eingebracht. Der Füllstoff lässt sich leicht durch chemische oder physikalische Verfahren herauslösen. (Vn) Eine protonenleitende Polymer Membran (2) bedeckt die Unterseite des Grundkörpers (1). Erfindungsgemäß erfolgt jdie Herstellung dieser Elektroden-Membran-Grundkörpereinheit mittels Aufbringen des Polymers in fluider Form und anschließender Formierung der Membran. Dies kann zum Beispiel über Aufgießen der gelösten Membran und Abdampfen des Lösungsmittels, über Aufsputtem von erhitzten* Polymer oder über Aufbringen einer oder mehrerer Verbindungen mit anschließender Vemetzungsreaktion geschehen. So wird erfindungsgemäß in einem Schritt einerseits ein inniger Kontakt der Membran mit der Elektrodenmasse hergestellt, und andererseits, durch innigen Verbund der Membran mit den ♦ ····· ·· · · • · · ··· · ··· · · ·· · · · ····· • · · 9 ·· ·· 9 9 ·

Kanalstegen eine hervorragende Abdichtung der einzelnen Kanäle gewährleistet. Die Stärke der aufgetragenen Membran liegt zwischen 2μηι und 20mm, vorzugsweise zwischen 50μιη und 1mm, am besten bei 500μηι. (VIII) Als Brennstoff wird vorzugsweise Wasserstoff verwendet, jedoch ist prinzipiell auch die Verwendung von Flüssigkeiten oder anderen gasförmigen Brennstoffen möglich. (IX) Die Zufuhr des Oxidationsmittels - zumeist Luftsauerstoff- erfolgt über die Kanäle der Oberseite des Grundkörpers. In einer besonderen Ausbildung der vorliegenden Erfindung sind diese Kanäle mit einem Gasdiffusionsmedium gefüllt. (X) Die vorliegende Zelle kann als Einzelzelle verwendet werden. In Sonderformen kann diese Einzelzelle auch zusammengerollt werden. Es ist auch möglich mehrere dieser Einzelzellen in planarem oder eingerolltem Zustand zum Zwecke der Leistungserhöhung zusammenzuschließen.

Die Vorteile der beschriebenen Zelle gegenüber herkömmlichen vertikalen und lateralen Zellen: • Es werden keine zusätzlichen Dichtungsmaterialien benötigt • Es können mikrostrukturierte Kanäle gefertigt werden, da der Schritt des Assemblings von separat gefertigten Teilen entfällt. • Es werden keine zusätzlichen Kompressoren für den Antransport des Sauerstoffes an die Kathode benötigt. Der Antransport des Sauerstoffs erfolgt über natürliche Konvektion und Diffusion von der Unterseite der lateralen Brennstoffzelle an die Kathoden. • Es können dickere Membranen eingesetzt werden.

Beschreibung der Zeichnungen:

Figur 1: Ausführungsbeispiel für einen Grundkörper (1) der lateralen Brennstoffzelle in Aufriß und Schnittdarstellung A-A. Der Aufriß zeigt die Oberseite des Grundkörpers.

Figur 2: Ausführungsbeispiel eines Grundkörpers (1) der lateralen Brennstoffzelle im Aufriß. Diese Ansicht zeigt die Unterseite des Grundkörpers.

Figur 3: Ansicht der Oberseite des Grundkörpers (1) mit beispielhafter Anordnung der elektrischen Ableitung der Anode (6).

Figur 4: Schematische Schnittansicht der lateralen Brennstoffeelle, bestehend aus Grundkörper (1), Polymermembran (2), Kathode (3), Anode (4),, Kathodenableitung (5) und Anodenableitung (6).

Claims

Patentansprüche: 1. ) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer lateralen PEM Brennstoffzelle dadurch gekennzeichnet, daß die Anbringung der Membran (2) der Kontakt zwischen Membran und Elektrodenmasse, sowei die Abdichtung der Brennstoff- und Oxidationsmittel führenden Kanäle in einem Herstellungsschritt erfolgt.
2. ) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer lateralen PEM Brennstoffzelle dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (4,5) nur auf einer Seite der Polymermembran (2) angeordnet sind.
3. ) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer PEM Brennstoffzelle nach einem der oberen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Elektroden (4,5) mit der Polymermembran (2) durch Aufbringen der Membran in fluider Form zustande kommt.
4. ) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer PEM Brennstoffzelle nach Anspruch 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der auf getragenen Polymermembran zwischen lpm und 20mm, besser zwischen 50pm und 1mm und vorzugsweise bei 500pm liegt.
5. ) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer PEM Brennstoffzelle nach Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Brennstoff- und Oxidationsmittel führenden Kanäle ein Abstand von 1 bis lOOOpm, vorzugsweise ein Abstand von 20pm bis 180pm liegt.