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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mit einer Anode, einem Elektrolyten sowie einer Kathode, wobei die Kathode ein Flowfield mit wenigstens einem Kathodenkanal aufweist und der Kathodenkanal über eine Kathodendiffusionsschicht an den Elektrolyten angrenzt. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodendiffusionsschicht entlang des Kathodenkanals unterschiedliche Wassertransportparameter, insbesondere unterschiedliche Porositäten, aufweist. DOLLAR A Dadurch wird ein optimales Wassermanagement über die gesamte aktive Fläche der Diffusionsschicht ermöglicht.The invention relates to a direct methanol fuel cell with an anode, an electrolyte and a cathode, wherein the cathode has a flow field with at least one cathode channel and the cathode channel is adjacent to the electrolyte via a cathode diffusion layer. The fuel cell according to the invention is characterized in that the cathode diffusion layer has different water transport parameters along the cathode channel, in particular different porosities. DOLLAR A This allows optimal water management over the entire active area of the diffusion layer.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathodendiffusionsschicht einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC).The The invention relates to a cathode diffusion layer of a fuel cell, in particular a direct methanol fuel cell (DMFC).

Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM-FC) sind die zurzeit am weitesten entwickelten Brennstoffzellen. Sie weisen eine kompakte Bauweise auf und erzielen ein gutes Energie/Gewichtsverhältnis. Die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle arbeitet bei moderaten Temperaturen um 80 °C. Der Wirkungsgrad beträgt annähernd 50 Prozent.Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEM-FC) are currently the most advanced fuel cells. she have a compact design and achieve a good energy / weight ratio. The Polymer electrolyte membrane fuel cell works at moderate temperatures around 80 ° C. The efficiency is approximately 50 Percent.

Als Alternative zu mit Wasserstoff betriebenen Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle werden auch die so genannten Direktalkohol-Brennstoffzellen untersucht. Diese verwenden einen bei Raumtemperatur flüssigen Brennstoff, wie beispielsweise Methanol, welches in der Brennstoffzelle direkt, das heißt ohne vorherige Reformation, elektrochemisch umgesetzt wird. Die Vorteile der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle sind insbesondere das geringe Systemvolumen und -gewicht, das einfache Design, eine einfache Betriebsweise mit schnellem Ansprechverhalten sowie geringe Investitions- und Betriebskosten. Nachteilig werden bei der DMFC derzeit noch deutlich geringere Wirkungsgrade als bei einer mit Wasserstoff betriebenen Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle erzielt.When Alternative to hydrogen-fueled polymer electrolyte membrane fuel cell The so-called direct alcohol fuel cells are also being investigated. These use a liquid at room temperature fuel, such as methanol, which in the fuel cell directly, that is, without prior reformation, is reacted electrochemically. The advantages of the direct methanol fuel cell In particular, the low system volume and weight, the simple Design, a simple mode with fast response as well as low investment and operating costs. Become a disadvantage in the DMFC currently significantly lower efficiencies than in a hydrogen-powered polymer electrolyte membrane fuel cell achieved.

Bei dem Betrieb einer DMFC wird Wasser sowohl durch diffusive, als auch durch elektro-osmotische Triebkräfte von der Anode durch die Membran auf die Kathoden-Katalysatorschicht transportiert. Von dort kann es nur gasförmig durch die Diffusionsschicht in die Kathodenluft strömen. Ist der Wasser anfall in der Kathoden-Katalysatorschicht zu groß, kondensiert der Wasserdampf aus und blockiert nachteilig einen Teil der aktiven Katalysatorfläche (Flooding).at The operation of a DMFC will be diffusive, as well as water by electro-osmotic driving forces from the anode through the membrane to the cathode catalyst layer transported. From there it can only gas through the diffusion layer flow into the cathode air. If the water accumulation in the cathode catalyst layer is too large condenses the water vapor and adversely blocks part of the active Catalyst surface (flooding).

Bisherige Membran-Elektroden-Einheiten einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle werden auf der Kathode mit einer Diffusionsschicht konstanter Transportparameter ausgestattet. Die Transportparameter der Schicht werden üblicherweise entsprechend einer optimierten Sauerstoffversorgung der Kathoden-Katalysatorschicht ausgelegt.Previous Membrane electrode units of a direct methanol fuel cell will be on the cathode with a diffusion layer of constant transport parameters fitted. The transport parameters of the layer usually become corresponding to an optimized oxygen supply of the cathode catalyst layer designed.

Die Betriebsparameter, die den diffusiven Wassertransport durch die Diffusionsschicht der Kathode bestimmen, ändern sich stark entlang der Membranfläche einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle. Beispielsweise, ist am Eintritt der Wasserdampfgehalt der Kathodenzuluft sehr gering. Dies bewirkt einen großen Wasserstrom von der Kathoden-Katalysatorschicht zur Kathodenluftkernströmung. Dabei fließt neben dem Drag-Wasser auch ein bestimmter Betrag Diffusionswasser von der Anodenseite durch die Membran. Hier wäre eine dichte Diffusionsschicht optimal, die den Betrag des Diffusionswassers minimiert.The Operating parameters that determine the diffusive water transport through the Determine diffusion layer of the cathode, change greatly along the membrane surface of a The direct methanol type fuel cell. For example, the water vapor content at the inlet is the cathode feed very low. This causes a large flow of water from the cathode catalyst layer to the cathode air core flow. It flows next to the drag water also a certain amount of diffusion water from the anode side through the membrane. Here would be a dense diffusion layer optimal, the amount of diffusion water minimized.

Am Ausgang der Zelle liegt hingegen in der Kathodenluft eine vergleichsweise hohe Wasserdampfkonzentration vor. Dies bewirkt eine geringere Triebkraft für den Wasserabtransport aus der Kathoden-Katalysatorschicht. Bei einer dichten Diffusionsschicht besteht nun die Gefahr, dass das stromgekoppelte Drag-Wasser nicht gasförmig durch die Diffusionsschicht transportiert werden kann, und entsprechend Wasserdampf auskondensiert. Hier wäre eine möglichst durchlässige Diffusionsschicht optimal.At the Output of the cell, however, is in the cathode air a comparatively high water vapor concentration before. This causes a lower driving force for the Water removal from the cathode catalyst layer. At a dense diffusion layer is now the danger that the current-coupled Drag water not gaseous can be transported through the diffusion layer, and accordingly Water vapor condenses out. Here is a possible permeable diffusion layer optimal.

Eine Diffusionsschicht mit konstanten Transportparametern kann daher ein optimales Wassermanagement über die gesamte aktive Fläche nicht gewährleisten.A Diffusion layer with constant transport parameters can therefore an optimal water management over the entire active area not guarantee.

Aufgabe und LösungTask and solution

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, bei der durch eine besondere Ausführung der Kathoden-Diffusionsschicht, der nicht stromabhängige Diffusionswassertransport durch die Membran minimiert, um so die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle im Vergleich zum Stand der Technik erhöht wird.The The object of the invention is to provide a fuel cell available in which by a particular embodiment of the cathode diffusion layer, the non-current-dependent Diffusion water transport through the membrane minimizes performance the fuel cell is increased compared to the prior art.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Brennstoffzelle mit der Gesamtheit an Merkmalen gemäß Hauptanspruch, sowie durch einen Brennstoffzellenstapel gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungen der Brennstoffzelle sowie des Brennstoffzellensystems finden sich in den darauf rückbezogenen Ansprüchen.The The object of the invention is achieved by a fuel cell with all the features according to the main claim, and by a fuel cell stack according to the independent claim. advantageous versions the fuel cell and the fuel cell system can be found in the referenced Claims.

Gegenstand der ErfindungSubject of the invention

Die Erfindung betrifft eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mit einer besonderen Ausführung der Kathodendiffusionsschicht. Diese Kathodendiffusionsschicht weist im Unterschied zum Stand der Technik, wo die Kathodendiffusionsschicht über die gesamte aktive Fläche konstante Transportparameter aufweist, entlang eines oder mehrerer Kathodenkanäle unterschiedliche Transportparameter auf.The The invention relates to a direct methanol fuel cell with a special execution of Cathode diffusion layer. This cathode diffusion layer has in contrast to the prior art, where the cathode diffusion layer over the entire active area has constant transport parameters along one or more cathode channels different transport parameters.

Neben dem Anteil an so genanntem "Drag-Wasser", welches mit dem Methanol durch die Membran mitgerissen wird, gelangt auch ein Anteil Diffusionswasser von der Anode durch die Membran. Der Anteil an Diffusionswasser ergibt sich aus dem Konzentrationsgefälle des Wasserdampfpartialdrucks im Anoden- und Kathodenraum.In addition to the proportion of so-called "drag water", which is entrained with the methanol through the membrane, also passes a proportion of diffusion water from the anode through the membrane. The proportion of diffusion water results from the concentration gradient of the water vapor pressure in the anode and cathode compartment.

Während beim Betrieb der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle der Wasserdampfpartialdruck im Anodenraum nahezu konstant ist, findet im Kathodenraum entlang der Kathodenkanäle regelmäßig eine Aufsättigung mit Wasserdampf statt. Der Konzentrationsgradient ist daher beim Eintritt der Luft in den Kathodenraum besonders groß, daher auch die Triebkraft für das Diffusionswasser. Am Ausgang des Kathodenraums liegt jedoch eine hohe Wasserdampfsättigung vor, so dass das Konzentrationsgefälle und damit die Triebkraft für den diffusiven Wassertransport, deutlich geringer ausfallen. Ziel sollte es daher sein, besonders am Ende des oder der Kathodenkanäle den Wassertransport durch die Kathodendiffusionsschicht zu verbessern.While at Operation of the direct methanol fuel cell of the water vapor partial pressure is almost constant in the anode compartment, takes place in the cathode compartment along the cathode channels regularly one saturation with steam instead. The concentration gradient is therefore at Entry of air into the cathode compartment particularly large, therefore also the driving force for the diffusion water. However, at the exit of the cathode compartment is a high water vapor saturation before, so that the concentration gradient and thus the driving force for the Diffusive water transport, significantly lower. Target should be Therefore, especially at the end of the cathode channels or the water transport to improve by the cathode diffusion layer.

Unterschiedliche Transportparameter in einer Kathodendiffusionsschicht können durch verschiedene Mittel bewirkt werden. Einerseits bietet sich die Variation der Porosität der Kathodendiffusionsschicht als ein geeignetes Mittel an. Im Sinne der Erfindung kann beispielsweise die Porosität entlang der Kathodenkanäle zunehmen. Dabei kann die Kathodendiffusionsschicht einerseits eine graduelle, und/oder auch eine stufenweise Erhöhung der Porosität einer Schicht mit konstanter Dicke aufweisen.different Transport parameters in a cathode diffusion layer can by different means are effected. On the one hand, the variation offers the porosity the cathode diffusion layer as a suitable agent. For the purpose of For example, according to the invention, the porosity along the cathode channels may increase. In this case, the cathode diffusion layer on the one hand a gradual, and / or also a gradual increase the porosity have a layer of constant thickness.

Andererseits kann aber auch durch geeignete Wahl der Oxidationsmittelverteilerstruktur (Flowfield) auf der Kathodenseite das Wassermanagement verbessert werden. Denkbar sind im Sinne der Erfindung natürlich auch entsprechende Kombinationen von angepasster Kathodendiffusionsschicht und verändertem Flowfield.on the other hand but can also by suitable choice of Oxidationsmittelverteilerstruktur (Flowfield) on the cathode side improves the water management become. Of course, according to the invention, corresponding combinations of adapted cathode diffusion layer and modified flowfield.

Das Ziel der Erfindung ist es, den Wassertransportparameter der Kathodendiffusionsschicht vom Eintritt in den Kathodenraum bis zum Ausgang aus dem Kathodenraum hin zu verbessern. Eine solche Kathodendiffusionsschicht mit variablen Wassertransportparametern kann somit regelmäßig ein optimales Wassermanagement über die gesamte aktive Fläche der Kathodendiffusionsschicht gewährleisten.The The aim of the invention is the water transport parameter of the cathode diffusion layer of Entry into the cathode compartment to the exit from the cathode compartment to improve. Such a cathode diffusion layer with variable Water transport parameters can thus regularly optimal water management over the entire active area ensure the cathode diffusion layer.

Spezieller BeschreibungsteilSpecial description part

Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird.following the object of the invention is explained in more detail with reference to figures, without that the subject of the invention is limited thereby.

Es zeigen:It demonstrate:

1: Graduelle Variation der Porosität der kathodenseitigen Diffusionsschicht entlang des oder der Kathodenkanäle bei gleich bleibender Dicke der Kathodendiffusionsschicht. 1 : Gradual variation of the porosity of the cathode-side diffusion layer along the cathode or channels with the same thickness of the cathode diffusion layer.

2: Stufenweise Variation der Porosität der kathodenseitigen Diffusionsschicht entlang des oder der Kathodenkanäle bei gleich bleibender Dicke der Kathodendiffusionsschicht. 2 : Stepwise variation of the porosity of the cathode-side diffusion layer along the cathode channel (s) with constant thickness of the cathode diffusion layer.

3: Ausführungsformen für ein erfindungsgemäß verändertes Flowfield auf der Kathodenseite. 3 : Embodiments for an inventively modified flow field on the cathode side.

4: UI-Kennlinien bei herkömmlicher konstanter Porosität der Diffusionsschicht (untere Kurve) und bei erfindungsgemäßer veränderlicher Porosität der Diffusionsschicht (obere Kurve). 4 : UI characteristic curves with conventional constant porosity of the diffusion layer (lower curve) and with changeable porosity of the diffusion layer according to the invention (upper curve).

Im Rahmen dieser Erfindung wurde gefunden, dass durch folgende Maßnahmen das Wassermanagement in einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle vorteilhaft verbessert werden kann:

  • 1. Flowfield variieren
  • 2. Diffusionsschicht variieren, bzw. segmentieren.
In the context of this invention, it has been found that the water management in a direct methanol fuel cell can advantageously be improved by the following measures:
  • 1. Flowfield vary
  • 2. Diffusion layer vary or segment.

Beides hat zum Ziel die sonst konstanten Wassertransportparameter entlang des Kathodenkanals zu variieren, und somit den sich ändernden Betriebsparametern optimal anzupassen. Die 1 und 2 zeigen mögliche Variationen der Porosität innerhalb der erfindungsgemäßen Kathodendiffusionsschicht entlang der Kathodenkanäle.Both have the goal to vary the otherwise constant water transport parameters along the cathode channel, and thus optimally adapt to the changing operating parameters. The 1 and 2 show possible variations of the porosity within the cathode diffusion layer according to the invention along the cathode channels.

Am Eintritt ist der Wasserdampfgehalt der Kathodenzuluft sehr gering. Dies bewirkt einen großen Wasserstrom von der Kathoden-Katalysatorschicht zur Kathodenluftkernströmung. Dabei fließt neben dem Drag-Wasser auch ein bestimmter Betrag Diffusionswasser von der Anodenseite durch die Membran. Hier wäre eine dichte Diffusionsschicht optimal, die den Betrag des Diffusionswassers minimiert.At the Admission is the water vapor content of Kathodenzuluft very low. This causes a big Water flow from the cathode catalyst layer to the cathode air core flow. there flows alongside the drag water also a certain amount of diffusion water from the anode side through the membrane. Here would be a dense diffusion layer optimal, which minimizes the amount of diffusion water.

Am Ausgang der Zelle liegt hingegen in der Kathodenluft eine vergleichsweise hohe Wasserdampfkonzentration vor. Dies bewirkt eine geringere Triebkraft für den Wasserabtransport aus der Kathoden-Katalysatorschicht. Bei einer dichten Diffusionsschicht besteht nun die Gefahr, dass das stromgekoppelte Drag-Wasser nicht gasförmig durch die Diffusionsschicht transportiert werden kann, und entsprechend Wasserdampf auskondensiert. Hier wäre eine möglichst durchlässige Diffusionsschicht optimal.At the Output of the cell, however, is in the cathode air a comparatively high water vapor concentration before. This causes a lower driving force for the Water removal from the cathode catalyst layer. At a dense diffusion layer is now the danger that the current-coupled Drag water not gaseous can be transported through the diffusion layer, and accordingly Water vapor condenses out. Here is a possible permeable diffusion layer optimal.

Während bei 1 eine monotone, d. h. graduelle Erhöhung der Porosität entlang des Kathodenkanals vorgesehen ist, zeigt 2 ein mögliches stufenförmiges Profil, wobei die Übergangsbereiche von einer Stufe zur nächsten mehr oder weniger ausgeprägt sein können. Verfahrenstechnisch sind sowohl graduelle als auch stufenförmige Porositätsprofile mit herkömmlichen Herstellungsmethoden zu realisieren. Als weitere Lösung für die Aufgabe der Erfindung haben sich angepasste Flowfields herausgestellt (siehe 3)While at 1 a monotonous, ie gradual increase in porosity along the cathode channel is provided shows 2 a possible step-shaped profile, wherein the transition areas from one stage to the next may be more or less pronounced. Processually, both gradual and stepwise porosity pro to realize file with conventional production methods. As a further solution to the problem of the invention, adapted flowfields have been found (see 3 )

Claims (5)

Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mit einer Anode, einem Elektrolyten sowie einer Kathode, wobei die Kathode ein Flowfield mit wenigstens einem Kathodenkanal aufweist, und der Kathodenkanal über eine Kathodendiffusionsschicht an den Elektrolyten angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodendiffusionsschicht entlang des Kathodenkanals unterschiedliche Porositäten aufweist.Direct methanol fuel cell having an anode, an electrolyte and a cathode, wherein the cathode has a flowfield with at least one cathode channel, and the cathode channel is adjacent to the electrolyte via a cathode diffusion layer, characterized in that the cathode diffusion layer has different porosities along the cathode channel. Direkt-Methanol-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei dem die Kathodendiffusionsschicht entlang des Kathodenkanals eine zunehmende Porosität aufweist.Direct methanol fuel cell according to claim 1, wherein the cathode diffusion layer is along the cathode channel an increasing porosity having. Direkt-Methanol-Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, bei dem die Variation der Porosität graduell und/oder stufenweise ausgebildet ist.Direct methanol fuel cell according to one of the preceding claims 1 to 2, in which the variation of the porosity is formed gradually and / or stepwise is. Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mit einer Anode, einem Elektrolyten sowie einer Kathode, wobei die Kathode ein Flowfield mit wenigstens einem Kathodenkanal aufweist, und der Kathodenkanal über eine Kathodendiffusionsschicht an den Elektrolyten angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass das Flowfield entlang des Kathodenkanals unterschiedliche Kanalbreiten aufweist.Direct methanol fuel cell with an anode, an electrolyte and a cathode, wherein the cathode is a flowfield having at least one cathode channel, and the cathode channel via a Cathode diffusion layer adjacent to the electrolyte, characterized characterized in that the flowfield along the cathode channel different channel widths having. Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mit einer Anode, einem Elektrolyten sowie einer Kathode, wobei die Kathode ein Flowfield mit wenigstens einem Kathodenkanal aufweist, und der Kathodenkanal über eine Kathodendiffusionsschicht an den Elektrolyten angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Kathodendiffusionsschicht entlang des Kathodenkanals unterschiedliche Porositäten aufweist, als auch das Flowfield entlang des Kathodenkanals unterschiedliche Kanalbreiten aufweist.Direct methanol fuel cell with an anode, an electrolyte and a cathode, wherein the cathode is a flowfield having at least one cathode channel, and the cathode channel via a Cathode diffusion layer adjacent to the electrolyte, characterized characterized in that both the cathode diffusion layer along the cathode channel has different porosities, as well as the Flowfield along the cathode channel different channel widths having.
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