DE102005047118B4 - Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle mit einer Gasdiffusionslage mit verbesserter fluidischer Durchlässigkeit - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle mit einer Gasdiffusionslage mit verbesserter fluidischer Durchlässigkeit Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, welche zumindest eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) mit einer porösen Gasdiffusionslage (GDL) und eine an die GDL angrenzende Separatorplatte umfasst, wobei die Separatorplatte GDL-seitig ein Strömungsfeld mit Fluidführungskanälen (Kanäle) für die Verteilung eines Fluids entlang der GDL aufweist, wobei ferner die Kanäle zu einem Kanalbündel mit innen- und außenliegenden Kanälen zusammengefasst sind, das mäanderförmig von einem Eingangsport zu einem Ausgangsport der Separatorplatte verläuft, und wobei benachbart angeordnete Kanäle und Segmente eines Kanals durch Stege voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass man die fluidische Durchlässigkeit der GDL im an einen Steg, der zwei benachbart angeordnete Segmente eines außenliegenden Kanals voneinander trennt (Außensteg), angrenzenden Bereich verringert, indem man die GDL mit entsprechend profilierten Walzen bearbeitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Erfindung kann z. B. auf dem Gebiet der Herstellung von Brennstoffzellen gewerblich eingesetzt werden.
  • Der prinzipielle Aufbau einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (kurz: PEMFC; FC für fuel cell) ist wie folgt. Die PEMFC enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung (kurz: MEA), die aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Polymer-Elektrolyt-Membran (kurz: PEM) aufgebaut ist. Die MEA ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei eine an die Anode grenzende Separatorplatte Fluidführungskanäle für die Verteilung von Brennstoff aufweist und eine an die Kathode grenzende Separatorplatte Fluidführungskanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel und wobei diese Kanäle der MEA zugewandt sind. Als Fluide werden alle in den Fluidführungskanälen (kurz: Kanäle) geführten flüssigen und gasförmigen Stoffe bezeichnet.
  • Eine Separatorplatte weist üblicherweise Eingangs- und Ausgangsports auf, durch die hindurch der Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel in die Brennstoffzelle ein- und austreten.
  • Ferner können Eingangs- und Ausgangsports für ein Kühlmittel vorgesehen sein. Die Eingangs- und Ausgangsports sind üblicherweise Durchbrechungen, die, bei Übereinanderstapelung mehrerer Brennstoffzellen zu einem Stack, schacht- oder rohrartige Leitungen ergeben.
  • Die Kanäle bilden den Anoden- bzw. Kathodenraum. Die Elektroden, Anode und Kathode, sind im Allgemeinen als Gasdiffusionselektroden (kurz: GDE) ausgebildet. Diese haben die Funktion, den bei der elektrochemischen Reaktion („Brennstoffzellenreaktion", z. B. 2 H2 + O2 → 2 H2O) erzeugten elektrischen Strom abzuleiten und die Reaktionsstoffe, Edukte und Produkte, hindurch diffundieren zu lassen. Eine GDE besteht üblicherweise aus einer Katalysatorschicht, die mit der PEM in Kontakt steht, eine sich daran anschließende Gasdiffusionslage und eine an die GDL angrenzende Gasverteilungslage. Es kann auch eine andere Abfolge mit mehreren Gasdiffusions- und Gasverteilungslagen vorgesehen sein. Gasdiffusions- und Gasverteilungslagen werden nachfolgend der Einfachheit halber zusammenfassend als Gasdiffusionslage (kurz: GDL) bezeichnet. Derartige GDL sind im Allgemeinen aus einem porösen Material gebildet, sodass Fluide durch sie hindurch von den Fluidführungskanälen zu den reaktiven Zentren der Katalysatorschicht gelangen können. Dabei weisen Gasverteilungslagen im Allgemeinen größere Poren auf als Gasdiffusionslagen. Entsprechend findet der Transport eines Fluids in einer Gasverteilungslage durch Verteilung statt, wohingegen er in einer Gasdiffusionslage durch Diffusion stattfindet.
  • Als Reaktionsstoffe werden ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel eingesetzt. Meist werden gasförmige Reaktionsstoffe (kurz: Reaktionsgase) eingesetzt, z. B. H2 oder ein H2-haltiges Gas (z. B. Reformatgas) als Brennstoff und O2 oder ein O2-haltiges Gas (z. B. Luft) als Oxidationsmittel.
  • Eine derartige Brennstoffzelle kann bei relativ geringen Betriebstemperaturen elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen. Reale Brennstoffzellen sind meist, wie bereits oben angedeutet, zu so genannten Brennstoffzellenstapeln (kurz: Stacks) gestapelt, um eine hohe Leistungsabgabe zu erzielen, wobei anstelle monopolarer Separatorplatten bipolare Separatorplatten (kurz: Bipolarplatten) eingesetzt werden und monopolare Separatorplatten nur als Endplatten des Stacks. Die Separatorplatten können aus zwei oder mehr Teilplatten bestehen, die eine Einheit – eine sog. „Separatorplatteneinheiten" – bilden. Eine derartige Separatorplatte kann weitere Bauteile aufweisen (z. B. Dichtungen, Stromabnehmerfähnchen usw.), auf die der Kürze halber aber nicht weiter eingegangen werden soll.
  • Die Einzelzellen eines Stacks werden beim Stapeln üblicherweise mit geeigneten Verspannungsmitteln gegeneinander verspannt, d. h. aneinander gedrückt, um eine ausreichende fluidische Dichtigkeit der Einzelzellen und des Stacks gegenüber der Umgebung und einen ausreichenden elektrischen Kontakt innerhalb der Einzellzellen und des Stacks zu gewährleisten.
  • Eine Aufgabe der Separatorplatte besteht darin, die Edukte für die Brennstoffzellenreaktion (Brennstoff bzw. Oxidationsmittel) auf der dafür vorgesehenen Seite der MEA entlang ihrer Oberfläche möglichst homogen zu verteilen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Produkte der Brennstoffzellenreaktion, insbesondere das Produktwasser, zu sammeln und möglichst effektiv zu entfernen. Dazu weist eine Separatorplatte, wie bereits oben angedeutet, üblicherweise eine Kanalstruktur auf, ein sog. Strömungsfeld.
  • Das Fluid, das in den kathodenseitigen Kanälen der Separatorplatte geführt wird (Oxidationsmittel), reichert sich infolge der Brennstoffzellenreaktion entlang der Kanäle in Strömungsrichtung zunehmend mit Produktwasser an, das nach Sättigung des Fluids in flüssiger Form auftreten kann. Flüssiges Wasser kann zur Verstopfung der Kanäle führen und so die Zuführung von Oxidationsmittel zu den Reaktionszentren behindern. Daher muss anfallendes flüssiges Wasser in den Kanälen ausreichend abtransportiert werden. Dazu muss an den Enden der Kanäle eine ausreichende Druckdifferenz anliegen, damit anfallendes flüssiges Wasser aus der Brennstoffzelle geblasen wird. Ist die Druckdifferenz zu gering, wird das Wasser nicht ausreichend aus der Brennstoffzelle entfernt und behindert den Transport von Oxidationsmittel, wodurch die Brennstoffzelle an Leistung verliert. Eine möglichst große Druckdifferenz ist daher nicht nur in dieser Hinsicht wünschenswert, sondern sie bewirkt auch eine bessere Verteilung der Fluide auf die einzelnen Kanäle in einer Einzelzelle und eine bessere Verteilung auf die Einzelzellen in einem Stack. Eine ungleichmäßige Verteilung des Oxidationsmittels bewirkt dagegen eine Verschlechterung der Leistung der Brennstoffzelle. Unter ungünstigen Umständen werden dabei Teile der aktiven Fläche der MEA nicht ausreichend mit Reaktionsstoffen versorgt, was bis hin zur Schädigung der MEA führen kann.
  • Andererseits kann es bei einer großen Druckdifferenz zu sog. fluidischen Kurzschlüssen kommen. Dabei strömt ein Teil des Fluids nicht wie vorgesehen in Richtung der Hauptströmung dem Kanal entlang, sondern quer zur Hauptströmung (Querströmung) durch die angrenzende GDL hindurch von einem stromaufwärts gelegenen Segment des Kanals in ein benachbart, stromabwärts liegendes Segment desselben Kanals. Derartige fluidische Kurzschlüsse können insbesondere bei lang gestreckten Strömungsfeldern auftreten, bei denen die Druckdifferenzen zwischen benachbarten Segmenten desselben Kanals besonders hoch sind. Die Druckdifferenzen resultieren daraus, dass die betreffenden Kanalabschnitte unterschiedlich weit von den Enden der Kanäle entfernt und dadurch unterschiedlichen Druckverlusten unterworfen sind. Durch derartige fluidische Kurzschlüsse kann es zur Unterversorgung von Teilen der MEA mit Reaktionsstoffen kommen und damit zu Einbußen bei der Leistung der Brennstoffzelle. Daher ist in dieser Hinsicht eine möglichst geringe Druckdifferenz wünschenswert.
  • Querströmungen sind dagegen bei benachbarten, unterschiedlichen Kanälen, insbesondere bei ineinander greifenden Strömungsfeldern (interdigitated Flowfields) erwünscht, um z. B. die unter den Stegen liegenden Bereiche der angrenzenden GDL bzw. MEA mit Reaktionsstoffen zu versorgen. Außerdem kann über derartige Querströmungen die Feuchteverteilung positiv beeinflusst werden, da durch die Querströmung der Gesamtvolumenstrom in dem nachfolgenden Kanalsegment reduziert wird und somit dieser Volumenstrom stärker befeuchtet wird. Dies kann bei trockenen Bedingungen ein Vorteil sein, durch eine lokal bessere Befeuchtung der PEM und somit einen geringeren ionischen Membranwiderstand.
  • Die Querströmung zwischen benachbarten Kanälen kann durch eine Anordnung der Kanäle in paralleler Form vermieden werden. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in DE 196 02 315 A1 beschrieben. Ein Nachteil dieser parallelen Anordnung besteht in der höheren Anforderung an die Fertigungstoleranz und der fehlenden Möglichkeit den Stofftransport und die Feuchteverteilung zu beeinflussen. Zur Erzielung vergleichbarer Druckdifferenzen zwischen Strömungsfeldern mit geradlinig verlaufenden Kanälen und Strömungsfeldern mit Mäandern müssen bei geradlinig verlaufenden Kanälen wegen deren geringeren Längen z. B. deren Querschnitte verkleinert werden. Eine Verkleinerung der Kanalquerschnitte erfordert aber kleinere Fertigungstoleranzen, wobei sich die Fertigungskosten mit abnehmenden Fertigungstoleranzen stark erhöhen.
  • Zusammenfassend besteht das Problem, dass einerseits hohe Druckdifferenzen erwünscht sind, um die Entfernung von Wasser aus der Brennstoffzelle und die Versorgung von zwischen den Kanälen, unter den Stegen liegenden Bereichen der MEA mit Reaktionsstoff sicherzustellen, und dass andererseits zu hohe Druckdifferenzen zu fluidischen Kurzschlüssen mit Unterversorgung von ganzen MEA-Bereichen führen können.
  • Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2004 058 040 A1 geht ein Brennstoffzellensystem hervor, das zur Verhinderung von Querströmungen zwischen benachbarten Fluidführungskanälen die Porosität der GDL, die mindestens einen Steg zwischen einem stromaufwärtigen Bereich der Fluidführungskanäle und einem Bereich der stromabwärtigen Fluidführungskanäle berührt, geringer ist als die Porosität der GDL, die andere Stege berührt. Bereiche geringerer Porosität können durch Imprägnieren der Löcher des porösen Bereichs der GDL mit Harz gebildet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Bereich geringerer Porosität jedoch durch stellenweises Zusammendrücken der GDL gebildet. In 7 ist ein bestimmter Stegbereich höher als die anderen Stegbereiche der Separatorplatte. Beim Zusammenbau einer Brennstoffzelle drücken die überstehenden Stege auf die GDL wobei die Porosität in diesem Bereich gezielt gesteuert werden kann.
  • Die Porosität kann dabei fast auf null gedrückt und ein Gasaustritt somit fast vollständig gestoppt werden.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit dem eine Brennstoffzelle auf einfache Weise herstellbar ist, die einerseits zur ausreichenden Entfernung von Produktwasser mit der dafür erforderlichen Druckdifferenz zwischen den Eingängen und den Ausgängen mäandrierender Fluidführungskanäle betrieben werden kann und bei der andererseits nur eine geringe Gefahr fluidischer Kurzschlüsse besteht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstände der abhängigen Patentansprüche.
  • Eine geeignete Brennstoffzelle umfasst zumindest eine Membran-Elektroden-Anordnung (kurz: MEA) mit einer porösen Gasdiffusionslage (kurz: GDL) und eine an die GDL angrenzende Separatorplatte, wobei die Separatorplatte GDL-seitig ein Strömungsfeld mit vorzugsweise parallel verlaufenden Fluidführungskanälen (kurz: Kanäle) für die Verteilung eines Fluids entlang der GDL aufweist, wobei die Kanäle zu einem Kanalbündel mit innen- und außenliegenden Kanälen zusammengefasst sind, das mäanderförmig von einem Eingangsport zu einem Ausgangsport der Separatorplatte verläuft, wobei ferner benachbart angeordnete Kanäle und Segmente eines Kanals durch Stege voneinander getrennt sind. Die GDL weist in einem an einen Steg, der zwei benachbart angeordnete Segmente eines außenliegenden Kanals voneinander trennt (kurz: Außensteg), angrenzenden Bereich zumindest abschnittsweise eine geringere fluidische Durchlässigkeit auf als in den übrigen Bereichen der GDL.
  • Der Begriff „Gasdiffusionslage" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung vereinfachend eingesetzt und umfasst auch eine Gasverteilungslage oder eine Abfolge aus einer oder mehreren Gasdiffusionslagen und einer mehreren Gasverteilungslagen.
  • Besteht das Kanalbündel aus nur zwei Kanälen, so gibt es nur außenliegende Kanäle.
  • Bei dem Fluid handelt es sich um einen flüssigen oder gasförmigen Reaktionsstoff, der beim bestimmungsgemäßen Betrieb durch die Kanäle des Strömungsfelds strömt (Reaktionsstoffstrom). Das Fluid kann außer dem eigentlichen Reaktionsstoff (Brennstoff im Falle des anodenseitigen Strömungsfelds oder Oxidationsmittel im Falle des kathodenseitigen Strömungsfelds) weitere flüssige und/oder gasförmige Komponenten enthalten, z. B. Wasser, inerte Gase, usw..
  • Der Begriff „fluidische Durchlässigkeit" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung in Analogie zur hydraulischen Durchlässigkeit (auch hydraulische Leitfähigkeit) verstanden. Während die hydraulische Durchlässigkeit sich speziell auf Wasser bezieht, soll die fluidische Durchlässigkeit sich allgemein auf in Brennstoffzellen, insbesondere kathodenseitig eingesetzte Fluide beziehen.
  • Diese Brennstoffzelle weist zwar mäandrierende Kanäle auf, bei denen Kanalsegmente mit hohem Druck benachbart sind zu Kanalsegmenten mit niedrigem Druck, sodass ein großer Druckunterschied zwischen benachbarten Segmenten ein und desselben Kanals besteht. Ein fluidischer Kurzschluss, bei dem das in dem Kanal geführte Fluid abkürzend durch die GDL hindurch von dem Hochdruckkanalsegment in das benachbarte Niederdruckkanalsegment strömt, wird jedoch durch den zwischen diesen Kanalsegmenten liegenden Außensteg mit im Vergleich zur übrigen GDL verringerter fluidischer Durchlässigkeit weitgehend verhindert. Folglich kann die Brennstoffzelle mit verhältnismäßig hohem Druckunterschied zwischen den Kanaleingängen und den Kanalausgängen betrieben werden, um flüssiges Wasser ausreichend auszutreiben. Dadurch bringt die Brennstoffzelle eine verbesserte Leistung, da sowohl die Gefahr der Leistungsverminderung durch fluidische Kurzschlüsse, als auch die Gefahr der Leistungsverminderung durch mangelnde Reaktionsstoffzufuhr infolge Verstopfung durch flüssiges Wasser vermindert oder sogar beseitigt ist.
  • Die fluidische Durchlässigkeit ist benachbart zu dem Außensteg zumindest abschnittsweise herabgesetzt, und zwar zumindest in den von einem fluidischen Kurzschluss besonders gefährdeten Bereichen der GDL. Vorzugsweise ist die fluidische Durchlässigkeit aber benachbart zu dem Außensteg durchgängig um das im Wesentlichen gleiche Ausmaß herabgesetzt, was wesentlich einfacher realisierbar ist.
  • Dabei ist es bevorzugt, wenn die GDL im an den Außensteg angrenzenden Bereich eine höhere Dichte, insbesondere eine geringere Porosität aufweist als in den übrigen Bereichen der GDL. GDLs, bei denen die fluidische Durchlässigkeit in speziellen Bereichen durch Verdichtung, insbesondere durch Verringerung der Porosität erreicht wurde, sind mit einfachen Mitteln und auf einfache Weise herstellbar. Erfindungsgemäß ist hierfür eine Bearbeitung mit entsprechend profilierten Walzen vorgesehen.
  • Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn zumindest einige der Poren der GDL im an den Außensteg angrenzenden Bereich infolge einer Krafteinwirkung eingebrochen sind. Dadurch können die Porosität und die fluidische Durchlässigkeit in den gewünschten Bereichen auf besonders einfache Weise herab gesetzt werden.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Brennstoffzelle weist zumindest ein Außensteg des Kanalsystems zumindest abschnittsweise eine größere Höhe auf als die übrigen Stege des Kanalsystems. Beim Verspannen der Brennstoffzelle wird dadurch der an den höheren Steg (Außensteg) angrenzende Bereich der GDL stärker komprimiert als die übrigen Bereiche der GDL. Die verspannte Brennstoffzelle weist dadurch zwangsläufig in dem gewünschten Bereich benachbart zum Außensteg eine erhöhte Dichte bzw. eine verringerte Porosität, mithin eine geringere fluidische Durchlässigkeit auf. Dies stellt eine besonders einfache Möglichkeit zur Realisierung der Brennstoffzelle dar.
  • Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Brennstoffzelle sind zumindest einige der Poren der GDL, vorzugsweise alle Poren der GDL, im an den Außensteg angrenzenden Bereich zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig mit einem Füllmaterial aufgefüllt. Dadurch kann die Dichte der GDL im gewünschten Bereich erhöht bzw. ihre dortige Porosität herabgesetzt sein, ohne dass dazu Kräfte auf die MEA ausgeübt werden müssten, die bei unzweckmäßigem Einsatz zu Beschädigungen führen können. Ferner kann durch entsprechenden Einsatz des Füllers die fluidische Durchlässigkeit gezielt bis hin zur annähernd vollständigen fluidischen Undurchlässigkeit verringert sein. Als Füller kommt beispielsweise eine rußhaltige Zubereitung mit geeigneter Konsistenz, z. B. eine Dispersion oder eine Paste, in Frage, die vorzugsweise unter Druck in die GDL eingearbeitet wird. Enthält die rußhaltige Zubereitung Teilchen, so ist deren Größenverteilung, vorzugsweise der Teilchendurchmesser, im Vergleich zu der Größenverteilung der Poren der GDL, vorzugsweise der Porendurchmesser, zu kleineren Werten verschoben.
  • Bei einer Separatorplatte für die vorstehend beschriebene Brennstoffzelle weist zumindest ein Außensteg des Strömungsfelds zumindest abschnittsweise eine größere Höhe auf als die übrigen Stege des Strömungsfelds.
  • Mit dieser Separatorplatte kann die Brennstoffzelle in besonders einfacher Art und Weise durch Verspannen realisiert werden. Dabei wird beim Verspannen der an den höheren Steg (Außensteg) angrenzende Bereich der GDL stärker komprimiert als die übrigen Bereiche der GDL. Die verspannte Brennstoffzelle weist dadurch zwangsläufig in dem gewünschten Bereich benachbart zum Außensteg eine erhöhte Dichte bzw. eine verringerte Porosität, mithin eine geringere fluidische Durchlässigkeit auf. Die Separatorplatte ist damit in besonderem Maße für die Brennstoffzelle geeignet.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Brennstoffzelle. Erfindungsgemäß verringert man dabei die fluidische Durchlässigkeit der GDL im an einen Steg, der zwei benachbart angeordnete Segmente eines außenliegenden Kanals voneinander trennt (Außensteg), angrenzenden Bereich, indem man die GDL mit entsprechend profilierten Walzen bearbeitet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, eine Brennstoffzelle auf einfache Weise herzustellen, die einerseits zur ausreichenden Entfernung von Produktwasser mit der dafür erforderlichen Druckdifferenz zwischen den Eingängen und den Ausgängen mäandrierender Fluidführungskanäle betrieben werden kann und bei der andererseits nur eine geringe Gefahr fluidischer Kurzschlüsse besteht, ohne dass hierzu ein erhöhter Aufwand erforderlich ist.
  • Dabei ist es bevorzugt, wenn man die Dichte der GDL im an den Außensteg angrenzenden Bereich erhöht, vorzugsweise dass man die Porosität der GDL im an den Außensteg angrenzenden Bereich verringert. Dadurch können GDLs mit in speziellen Bereichen reduzierter fluidischer Durchlässigkeit mit einfachen Mitteln und auf einfache Weise hergestellt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die GDLs dazu mit entsprechend profilierten Walzen bearbeitet.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitet man in die GDL zumindest abschnittsweise im an den Außensteg angrenzenden Bereich ein Füllmaterial ein.
  • Dadurch kann man die Dichte der GDL im gewünschten Bereich erhöhen bzw. ihre dortige Porosität herabsetzen, ohne dass man dazu Kräfte auf die MEA ausüben muss, die bei unzweckmäßigem Einsatz zu Beschädigungen führen können. Ferner kann man durch entsprechenden Einsatz des Füllers die fluidische Durchlässigkeit gezielt bis hin zur annähernd vollständigen fluidischen Undurchlässigkeit verringern. Als Füller kommen die bereits vorstehend beschriebenen rußhaltigen Zubereitungen in Frage.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung wird in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche, funktionell gleiche oder ähnliche Bauteile beziehen.
  • Dabei zeigen, jeweils schematisch:
  • 1 eine Draufsicht auf eine Separatorplatte mit einem Strömungsfeld gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 ein Ausschnitt aus einem Schnitt durch eine Brennstoffzelle, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich ist,
    wobei nur die für das Verständnis der Erfindung erforderliche Merkmale bezeichnet sind.
  • 1 zeigt eine Draufsicht auf eine herkömmliche Separatorplatte (1) mit einem Strömungsfeld (2). Das Strömungsfeld (2) weist sieben parallele, lang gestreckte Fluidführungskanäle (3), von denen der Übersichtlichkeit halber nur einer bezeichnet ist, auf, die zu einem Kanalbündel (4) zusammengefasst sind, das zwischen einem Eingangsport (5) und einem Ausgangsport (6) mäanderförmig, viermal umgelenkt verläuft. Das Kanalbündel (4) weist zwei äußere Kanäle (7, 8) auf, sowie fünf innere Kanäle (9), von denen der Übersichtlichkeit halber nur einer bezeichnet ist. Die Kanäle (3) sind durch Stege (10), von denen der Übersichtlichkeit halber nur einer bezeichnet ist, voneinander getrennt. Die vier Umlenkungen teilen die Kanäle (3, 7, 8, 9) in fünf Segmente, wobei in zwei aufeinander folgenden Segmenten unterschiedliche Strömungsrichtungen vorliegen. Bei dem äußeren Kanal (8) ist das erste Segment benachbart zu dem dritten Segment angeordnet und von diesem durch einen Außensteg (11) getrennt. Das erste Segment von Kanal (8) erstreckt sich vom Eingangsport (5) bis zur ersten Umlenkung. Das benachbarte dritte Segment von Kanal (8) erstreckt sich von der zweiten Umlenkung bis zur dritten Umlenkung. Dabei herrscht insbesondere im ersten Segment am Eingang von Kanal (8), d. h. am Übergang zwischen Eingangsport (5) und Kanal (8), ein hoher Druck, während im dritten Segment, im Bereich der dritten Umlenkung ein schon erheblich geringerer Druck vorliegt. Bei herkömmlichen Strömungsfeldern (2) besteht daher wegen der großen Druckdifferenz zwischen diesen beiden Segmenten die Tendenz, dass das im Kanal (8) geführte Fluid wenigstens zum Teil der mit dem Pfeil (12) gekennzeichneten Querströmung folgt, somit eine Abkürzung nimmt und nicht dem Verlauf des Kanals folgt (fluidischer Kurzschluss). Dadurch kommt es zur Verarmung von Bereichen der MEA mit Reaktionsstoff (hier speziell Oxidationsmittel), die in einer entsprechenden Brennstoffzelle an den Kanal (8) im Bereich der ersten und zweiten Umlenkung angrenzen, mit der bekannten negativen Folge des Leistungseinbruchs oder sogar der Schädigung der MEA, je nach Ausmaß des fluidischen Kurzschlusses. Im Bereich des Pfeils (13) tritt prinzipiell die gleiche nachteilhafte Situation einer unerwünschten Querströmung und eines fluidischen Kurzschlusses auf.
  • 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Schnitt durch eine Brennstoffzelle mit einer kathodenseitigen Separatorplatte (1') und einer anodenseitigen Separatorplatte (1'') und einer dazwischen angeordneten MEA (14). Die MEA (14) weist eine PEM auf, auf der beidseitig eine Katalysatorschicht aufgebracht ist (nicht näher bezeichnet). Die MEA (14) weist ferner eine kathodenseitige GDL (15') und eine anodenseitige GDL (15') auf. Die Fig. wird nachfolgend der Einfachheit halber nur anhand der Kathodenseite erläutert, da die Situation auf der Anodenseite prinzipiell die Gleiche ist und Nachfolgendes ohne weiteres auf diese übertragen werden kann. Der dargestellte Ausschnitt zeigt den äußeren Kanal (8) mit seinem ersten Segment (8a), das unter hohem Druck steht, und seinem benachbarten, dritten Segment (8b), das unter einem niedrigeren Druck steht, wobei die Segmente (8a, 8b) durch den Außensteg (11) voneinander getrennt sind. Die Segmente (8a, 8b) sind ferner durch Stege (10a, 10b) von benachbarten Kanälen (nicht dargestellt) getrennt. Der Außensteg (11) weist eine größere Höhe auf als die Stege (10a) und (10b). Dadurch wurde die angrenzende GDL (15') beim Verspannen der Brennstoffzelle im Bereich des Außenstegs (11) stärker komprimiert als in den übrigen Bereichen wie z. B. im Bereich der Stege (10a) und (10b). Als Folge der Komprimierung sind die Poren der GDL (15') im an den Außensteg (11) angrenzenden Bereich eingebrochen, sodass die Porosität in diesem Bereich herabgesetzt ist und die Dichte entsprechend erhöht. Dadurch ist die fluidische Durchlässigkeit in diesem Bereich geringer als in den übrigen Bereichen der GDL (15'), sodass dem in Kanal (8) geführten Fluid im an den Außensteg (11) angrenzenden Bereich der GDL (15') ein so hoher Widerstand entgegengesetzt wird, dass das Fluid kaum oder sogar überhaupt nicht in der Lage ist, von dem unter hohem Druck stehenden Segment (8a) durch den an den Außensteg (11) angrenzenden Bereich der GDL (15') hindurch in das unter niedrigerem Druck stehende Segment (8b) quer zur Hauptströmung entlang des Kanals (8) zu strömen. Zusätzlich kann in die GDL (15') im an den Außensteg (11) angrenzenden Bereich ein Füllmaterial eingearbeitet sein, um die fluidische Durchlässigkeit in diesem Bereich zusätzlich zu verringern.
  • Die Außenstege (11) können unterschiedliche Breiten und geometrische Formen aufweisen und so zusätzlich zur Unterbindung unerwünschter Querströmungen und zur Verhinderung fluidischer Kurzschlüsse beitragen. So können die Außenstege (12) z. B. rechteckig, keilförmig, mit linear oder nichtlinear zunehmender oder abnehmender Breite oder dergleichen ausgebildet sein, wobei auch Kombinationen dieser geometrischen Formen in Frage kommen.
  • Durch die Unterbindung der Querströmungen zwischen benachbarten Segmenten eines Kanals wird die bereichsweise Unterversorgung der MEA mit Reaktionsstoffen wirkungsvoll unterbunden und die Leistung der Brennstoffzelle erheblich verbessert.
  • An dieser Stelle sei erwähnt, dass Querströmungen durch die erläuterten Maßnahmen nicht nur reduziert, sondern auch gezielt eingestellt werden können. So kann beispielsweise eine minimale, genau definierte Querströmung unter einem Steg (10, 10a, 10b, 11) hindurch eingestellt werden, um einen genau dosierten Reaktionsstofftransport zuzulassen und/oder die Feuchteverteilung entlang der MEA-Oberfläche positiv zu beeinflussen und so die Leistung der Brennstoffzelle zu verbessern.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, welche zumindest eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) mit einer porösen Gasdiffusionslage (GDL) und eine an die GDL angrenzende Separatorplatte umfasst, wobei die Separatorplatte GDL-seitig ein Strömungsfeld mit Fluidführungskanälen (Kanäle) für die Verteilung eines Fluids entlang der GDL aufweist, wobei ferner die Kanäle zu einem Kanalbündel mit innen- und außenliegenden Kanälen zusammengefasst sind, das mäanderförmig von einem Eingangsport zu einem Ausgangsport der Separatorplatte verläuft, und wobei benachbart angeordnete Kanäle und Segmente eines Kanals durch Stege voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass man die fluidische Durchlässigkeit der GDL im an einen Steg, der zwei benachbart angeordnete Segmente eines außenliegenden Kanals voneinander trennt (Außensteg), angrenzenden Bereich verringert, indem man die GDL mit entsprechend profilierten Walzen bearbeitet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Dichte der GDL im an den Außensteg angrenzenden Bereich erhöht, bevorzugt dass man die Porosität der GDL im an den Außensteg angrenzenden Bereich verringert.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man in die GDL zumindest abschnittsweise im an den Außensteg angrenzenden Bereich ein Füllmaterial einarbeitet.
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