DE10016820A1

DE10016820A1 - Fuel cell with diffusion layer

Info

Publication number: DE10016820A1
Application number: DE10016820A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Dohle
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2000-04-05
Filing date: 2000-04-05
Publication date: 2001-10-18
Also published as: WO2001078174A1

Abstract

A fuel cell, wherein the diffusion layer used for the distribution of fuel to the anodic catalyst layer exhibits various diffusivities created advantageously by decreasing the thickness of said layer in the direction of the fuel flow. The inventive diffusion layer provides a regular, more uniform fuel concentration profile directly at the anode as opposed to that in the free anode region. The diffusion layer can be used advantageously in a methanol fuel cell.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Diffusionsschicht, in der eine direkte elektrochemische Umsetzung eines Brennstoffs in Elektrizität stattfin det, insbesondere eine Niedertemperatur-Brennstoff zelle.The invention relates to a fuel cell with a Diffusion layer in which a direct electrochemical Converting a fuel into electricity det, especially a low temperature fuel cell.

Ein typisches Beispiel für eine solche Niedertempera tur-Brennstoffzelle ist die Direkt-Methanol-Brennstoff zelle (DMFC), bei der Methanol bei niedriger Temperatur direkt verstromt wird.A typical example of such a low temperature tur fuel cell is the direct methanol fuel cell (DMFC), in the methanol at low temperature electricity is generated directly.

Eine derartige Brennstoffzelle weist einen Anodenraum mit einer Anode, eine Elektrolytmembran und einen Kathodenraum mit einer Kathode auf. Der Kathode wird durch den Kathodenraum ein Oxidationsmittel, z. B. Luft und der Anode wird durch den Anodenraum ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff oder Methanol zugeführt. Kathode und Anode einer Brennstoffzelle weisen in der Regel eine durchgehende Porosität auf, damit die beiden Betriebs mittel Oxidationsmittel und Brennstoff den aktiven Be reichen der Elektroden zugeführt werden können. Ferner weisen die Elektroden typischerweise eine Katalysator schicht auf, in der die eigentlichen elektrochemisch katalysierten Vorgänge stattfinden. Such a fuel cell has an anode compartment with an anode, an electrolyte membrane and a Cathode compartment with a cathode. The cathode will an oxidizing agent, e.g. B. air and the anode becomes a fuel through the anode compartment, e.g. B. hydrogen or methanol. Cathode and Anode of a fuel cell usually have one continuous porosity so that the two operating medium oxidizing agent and fuel the active Be range of the electrodes can be supplied. Further the electrodes typically have a catalyst layer in which the actual electrochemically catalyzed processes take place.

Durch die oben beschriebene Konstruktion bedingt, wird anodenseitig der zugeführte Brennstoff, im Fall einer Methanol-Brennstoffzelle ein Methanol/Wassergemisch, während des Betriebs entlang der Anode abgereichert. Das bedeutet, daß der Brennstoff mit einem hohen Metha nolgehalt in den Anodenraum eingeleitet wird und sich in Strömungsrichtung entlang der Anode abreichert. An schließend tritt er mit einem geringen Methanolgehalt wieder aus dem Anodenraum aus. Bei den bisherigen Kon struktionen einer Methanol-Brennstoffzelle treten dabei folgende Nachteile auf. Die hohe Methanolkonzentration am Einlaß des Anodenraums bewirkt eine erhöhte Permea tion des Methanols durch die Elektrolytmembran und führt dadurch auf der Kathodenseite zur Bildung eines Mischpotentials. Dies wirkt sich regelmäßig negativ auf die Brennstoffeffizienz aus. Dem gegenüber können die geringen Methanolkonzentrationen am Auslaß des Anoden raums zu Diffusionsüberspannungen führen. Auch dies wirkt sich negativ auf den Wirkungsgrad der Brennstoff zelle aus.Due to the construction described above, is the fuel supplied on the anode side, in the case of a Methanol fuel cell a methanol / water mixture, depleted along the anode during operation. That means the fuel has a high metha nol content is introduced into the anode compartment and itself depleted in the flow direction along the anode. On in conclusion it occurs with a low methanol content again from the anode compartment. With previous con Structures of a methanol fuel cell occur following disadvantages. The high concentration of methanol at the inlet of the anode compartment causes an increased permea tion of the methanol through the electrolyte membrane and leads to the formation of a Mixed potential. This has a regular negative impact the fuel efficiency. They can do that low methanol concentrations at the anode outlet lead to diffusion overvoltages. This too has a negative effect on the efficiency of the fuel cell out.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle zu schaffen, die die oben genannten Nachteile der variie renden Brennstoffkonzentrationen entlang der Anode wäh rend des Betriebs verringert und regelmäßig einen ver besserten Wirkungsgrad erzielt.The object of the invention is to provide a fuel cell create the above disadvantages of variie fuel concentrations along the anode reduced during operation and a ver improved efficiency.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen. The task is solved by a fuel cell Claim 1. Advantageous refinements result from the claims referring back to it.

Dazu umfaßt die erfindungsgemäße Methanol-Brennstoff zelle einen Anodenraum mit einer Anode, wobei auf der Anode eine Diffusionsschicht angeordnet ist.For this purpose, the methanol fuel according to the invention comprises cell an anode compartment with an anode, with on the Anode is arranged a diffusion layer.

Die Diffusionsschicht der erfindungsgemäßen Brennstoff zelle weist unterschiedliche Diffusivitäten für den Brennstoff auf. Diese treten insbesondere entlang der Elektrode, vorzugsweise in Richtung von Brennstoffein laßseite zur Brennstoffauslaßseite auf. Unter unter schiedlicher Diffusivität für den Brennstoff ist zu verstehen, daß der Teilchenstrom des Brennstoffes aus dem freien Anodenraum durch die Diffusionsschicht zur Elektrode unterschiedliche Werte annimmt. In einer vor teilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird dies durch eine Diffusionsschicht mit unterschiedlicher Dicke rea lisiert. Im Rahmen der Erfindung wurde gefunden, daß sich dadurch die Weglänge, die der Brennstoff durch das poröse Material der Diffusionsschicht zurücklegt, än dert. Wird die Schichtdicke des porösen Materials er höht, erhöht sich auch die Weglänge. Der Teilchenstrom nimmt entsprechend ab.The diffusion layer of the fuel according to the invention cell has different diffusivities for the Fuel on. These occur particularly along the Electrode, preferably in the direction of fuel on the fuel outlet side. Under under Different diffusivity for the fuel is too understand that the particle flow of fuel out the free anode space through the diffusion layer Electrode assumes different values. In a before Partial embodiment of the invention is achieved by a diffusion layer with different thickness rea lized. In the context of the invention it was found that thereby the path length that the fuel through the covers porous material of the diffusion layer, än different. Will the layer thickness of the porous material increases, the path length also increases. The particle flow decreases accordingly.

Durch die Variation der Diffusivität der Diffusions schicht kann die Konzentration des Brennstoffes direkt an der anodischen Katalysatorschicht beeinflußt werden.By varying the diffusivity of the diffusions layer can directly concentrate the fuel be influenced on the anodic catalyst layer.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung nimmt die Dicke der Diffusionsschicht von der Brennstoffeinlaßseite zur Brennstoffauslaßseite kontinuierlich ab. Die hohen An fangskonzentrationen im freien Anodenraum am Brennstoffeinlaß werden durch eine dicke Diffusions schicht direkt an der Anode abgepuffert, bzw. redu ziert. Gleichzeitig wird der geringe Gehalt an Brenn stoff an der Brennstoffauslaßseite durch eine dünne Diffusionsschicht dort nahezu unverändert an die Anode geführt. In an advantageous embodiment, the thickness increases the diffusion layer from the fuel inlet side to Fuel outlet side continuously. The high An capture concentrations in the free anode space at Fuel intake is through a thick diffusion layer buffered directly at the anode, or redu graces. At the same time, the low content of distillate fabric on the fuel outlet side through a thin Diffusion layer there almost unchanged at the anode guided.

Durch eine solche Diffusionsschicht wird regelmäßig ein gleichförmigeres Konzentrationsprofil direkt an der Anode im Gegensatz zu dem im freien Anodenraum erzielt.Such a diffusion layer is a regular more uniform concentration profile directly at the Anode in contrast to that achieved in the free anode space.

In einem Ausführungsbeispiel wird eine erfindungsgemäße Methanol-Brennstoffzelle als Niedertemperatur-Brenn stoffzelle mit einer Diffusionsschicht, die unter schiedliche Diffusivitäten aufweist, wie folgt herge stellt.In one embodiment, an inventive Methanol fuel cell as a low-temperature fuel fabric cell with a diffusion layer, the under has different diffusivities, as follows poses.

Dabei wird die Diffusionsschicht auf einen Stromleiter, der in Form eines Graphitgewebes vorliegt, aufgebracht. Eine Mischung aus 15% PTFE und 85% Aktivkohle (z. B. XC 72) wird ausgewogen, gemischt, mit einem Wasser/Iso propanol Gemisch verdünnt und so eine spritzfähige Form erzeugt. Die spritzfähige Mischung wird anschließend auf den Stromleiter aufgesprüht, wobei die Belegung üblicherweise von ca. 4 bis 12 mg/cm² variiert.The diffusion layer is applied to an electrical conductor that is in the form of a graphite fabric. A mixture of 15% PTFE and 85% activated carbon (e.g. XC 72) is weighed out, mixed, diluted with a water / isopropanol mixture and thus creates a sprayable form. The sprayable mixture is then sprayed onto the current conductor, the coverage usually varying from approximately 4 to 12 mg / cm ² .

Diese Diffusionsschicht für eine Methanol-Brennstoff zelle umfaßt poröses Material und ist durchlässig für Methanol, Wasser und CO₂. Der Brennstoff gelangt aus dem freien Anodenraum durch die Diffusionsschicht an die Anode, wo er an der Katalysatorschicht reagieren kann. Die entstehenden Reaktionsprodukte, Wasser und CO₂, können durch die Diffusionsschicht zurück in den Anodenraum diffundieren. Eine geeignete Diffusions schicht umfaßt typischerweise PTFE und Aktivkohle, wo bei das PTFE bei der Herstellung der Diffusionsschicht in Form von feinkörnigem Pulver oder auch als Suspen sion vorliegen kann. This diffusion layer for a methanol fuel cell comprises porous material and is permeable to methanol, water and CO ₂ . The fuel reaches the anode from the free anode space through the diffusion layer, where it can react on the catalyst layer. The resulting reaction products, water and CO ₂ , can diffuse back into the anode space through the diffusion layer. A suitable diffusion layer typically comprises PTFE and activated carbon, where the PTFE can be present in the form of fine-grained powder or as a suspension in the manufacture of the diffusion layer.

Eine unterschiedliche Diffusivität in der Diffusions schicht ergibt sich alternativ auch durch unterschied liche Porositäten oder auch durch unterschiedliche Zu sammensetzungen innerhalb der Diffusionsschicht. So hat der Anteil an PTFE in der Mischung einen deutlichen Einfluß auf die Diffusivität der Diffusionsschicht.A different diffusivity in the diffusion alternatively, layer also results from difference liche porosities or also through different additions compositions within the diffusion layer. So had the proportion of PTFE in the mixture is clear Influence on the diffusivity of the diffusion layer.

Möglich ist aber auch jegliche Kombination dieser drei Alternativen, so beispielsweise unterschiedliche Zusam mensetzungen kombiniert mit unterschiedlichen Schicht dicken.Any combination of these three is also possible Alternatives, such as different togetherness Settings combined with different layers thick.

Claims

1. Fuel cell comprising an anode compartment with an anode and a diffusion layer arranged on the anode, characterized in that the diffusion layer has different diffu sivities.

2. Fuel cell according to the preceding claim, characterized, that the diffusion layer has a varying thickness having.

3. Fuel cell according to one of the preceding Expectations, characterized, that the thickness of the diffusion layer by at least 10% varies.

4. Fuel cell according to one of the previous ones Expectations, characterized, that the thickness of the diffusion layer along the Anode varies.

5. Fuel cell according to one of the previous ones Expectations, characterized, that the thickness of the diffusion layer along the Flow direction of the fuel at the anode takes.

6. Fuel cell according to one of the preceding Expectations, characterized, that the diffusion layer different Poro features.

7. Fuel cell according to one of the preceding Expectations, characterized, that the diffusion layer different together settlements within the diffusion layer has.

8. Methanol fuel cell as a fuel cell after any of the preceding claims.