DE102007042787A1

DE102007042787A1 - Modifizierte Gasdiffusionsschicht in Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE102007042787A1
Application number: DE102007042787A
Authority: DE
Inventors: Simon Dipl.-Ing. Hollnaicher; Arne Knoblauch; Andreas Dipl.-Ing. Knoop
Original assignee: Daimler AG; Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2009-03-12
Also published as: WO2009030313A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Brennstoffzellen, wie sie beispielsweise in Fahrzeugen eingesetzt werden. Durch eine Modifizierung der Gasdiffusionsschicht 2 (GDL) wird eine anisotrope Diffusionsrate bzgl. der verschiedenen Diffusionsmedien der Brennstoffzelle, wie insbesondere Wasserdampf oder z. B. auch Sauerstoff, bewirkt. Dazu sind in die GDL 2 definierte Bereiche 3 aus Material mit selektiven Durchlasseigenschaften eingebracht. Vorzugsweise sind solche diffusionssteuernde Materialien in der GDL im Bereich der Stege 5, also zwischen den Kanälen 4 der angrenzenden Gasverteilungsstruktur angeordnet. Damit kann insbesondere eine Querdiffusion über die GDL 2 zwischen den Kanälen 4 beeinflusst werden. Dies führt zu einer Regulierung des Wasserhaushalts und/oder Ausgleich der Gasverteilung der Reaktionsgase.

Description

Die Erfindung betrifft Brennstoffzellen, wie sie beispielsweise in modernen Fahrzeugen für Traktionszwecke eingesetzt werden. Typischerweise sind dabei Gruppen von Brennstoffzellen zu so genannten ,Stacks' zusammengefasst.
Brennstoffzellen bestehen im Allgemeinen aus zwei elektrisch leitenden Stromübertragerplatten als Anode und Kathode, zwischen denen sich eine ionenleitende Zwischenschicht befindet. Die Zwischenschicht ist beispielsweise als Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) ausgebildet. Diese Anordnung wird als Membran-Elektrolyt-Anordnung bezeichnet (MEA). Auf jeder Seite (Anode bzw. Kathode) der MEA werden die Reaktionsgase (Anodengas, d. h. Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas bzw. Kathodengas, d. h. Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Luft) über Kanäle einer Gasverteilungsstruktur jeweils an eine Gasdiffusionsschicht (Gas-Diffusion-Layer, GDL) herangeführt.
Bei Brennstoffzellen dieser Ausführung stellt die Wasserbilanz ein besonderes Problem dar: Bei einer unbefeuchteten oder nur teilweise befeuchteten Membran treten Austrocknungseffekte der Membran auf, die den Wirkungsgrad bzw. die Funktion der MEA überhaupt beeinträchtigen können. Im ungünstigsten Fall kann es bei lokaler Austrocknung des Elektrolyten zu einem Gasdurchbruch und damit zur Bildung brennbarer Gasgemische kommen, wodurch die Brennstoffzelle irreparabel geschädigt werden kann.
Stand der Technik sind Anordnungen zur teilweisen Rückführung des durch den Reaktionsablauf angefeuchteten Kathodengases zum Eingang der Kathode. Eine Brennstoffzelle mit entsprechender Feuchtigkeitsregulierung der Reaktionsgase ist beispielsweise beschrieben in der WO 94/03937 A1 . Bei dieser Anordnung wird der Betriebszustand der Brennstoffzelle aus der aktuellen Strom- und Spannungsabgabe zuerst ermittelt und dann mit Hilfe einer Steuerungselektronik in Abhängigkeit von diesen Betriebsparametern die Menge des zurückzuführenden Gases errechnet und über Ventile eingestellt. Dabei werden die Betriebsparameter stets nach demselben Schema berechnet, d. h. eventuelle Änderungen des Betriebsverhaltens der Zelle über die Zeit, z. B. durch Alterung, partielle Austrocknung usw. werden nicht berücksichtigt. Dies kann dazu führen, dass die Steuerungselektronik Betriebsparameter errechnet, die nicht zu optimalen Betriebszuständen in der Brennstoffzelle und damit zu schlechterer Performance führen.
Die Offenlegungsschrift DE 101 49 059 A1 beschreibt eine Gasverteilungsstruktur, bei der die Kanäle so geführt sind, dass Kanalabschnitte kurz nach dem Einlass des relativ trocknen Reaktionsgases in der Nähe zu anderen Kanalabschnitten verlaufen, die zum Gas-Auslass führen und in denen das teilverbrauchte Reaktionsgas durch die bereits erfolgte elektrolytische Reaktion einen relativ hohen Feuchtigkeitsgehalt aufweist. Durch diese benachbarte Verteilung von ein- bzw. ausführenden Kanalabschnitten mit stark unterschiedlichem Wasserdampfpartialdruck ist nach der Lehre dieses Dokuments eine den Feuchtigkeitsgradienten ausgleichende Wasserdampfdiffusion über die PEM verbunden.
Ebenfalls um die Regulierung des Feuchtigkeitsgehalts der Reaktionsgase in Brennstoffzellen geht es in der Offenlegungsschrift DE 102 29 820 A1 . Darin wird eine Gasverteilungsvorrichtung beschrieben, bei der Reaktionsgase in mindestens zwei verschiedenen Richtungen durch benachbarte Kanäle über den elektrochemisch aktiven Bereich eingeleitet werden. Im einfachsten Fall werden die Reaktionsgase in Gegenstromrichtung durch parallel verlaufende Kanäle über die Elektrode geführt. Durch die bidirektionale Strömungsführung der Reaktionsgase soll der Wasserhaushalt in der Brennstoffzelle homogenisiert und damit auch Unterschiede in der Stromdichteverteilung ausgeglichen werden. Problematisch ist dabei eine mögliche Quer-Diffusion der Reaktionsgase in der GDL, die zu einem Gasaustausch zwischen den Kanälen führt
Die Offenlegungsschrift DE 10 2005 011 853 A1 betrifft die ausgeglichene Befeuchtung in Protonenaustauschermembranen von Brennstoffzellen und liegt damit auf dem gleichen technischen Gebiet wie die vorgenannten Schriften. Vorgestellt wird darin eine Brennstoffzelle, bei der die Gasdiffusionsschicht GDL hydrophile und hydrophobe Schichten aufweist. 1 (entspricht 7 der DE 10 2005 011 853 A1 ) zeigt schematisch den Aufbau. Die hydrophobe Lage ist zur MEA angeordnet und verteilt Feuchtigkeit über die Ebene und fördert so eine ausgeglichene Befeuchtung der PEM. Die hydrophile Lage ist zur Seite der Gasverteilungsstruktur angeordnet und hält Wasser zur Abgabe an das in die GDL diffundierende Reaktionsgas bereit. In den Bereichen zwischen den Kanälen der Gasverteilungsstruktur ist die hydrophobe Schicht lokal stärker ausgebildet. Damit soll dem Feuchtigkeitsgradienten zwischen Kanalbereich und Zwischensteg entgegengewirkt werden. Zur weiteren Verbesserung des Wasserhaushalts sieht die Lehre dieses Dokuments zusätzliche Wasser führende Kapillarstrukturen vor.
Die Nachteile einer solchen Vorrichtung liegen in dem produktionstechnischen Aufwand zur Erzeugung der hydrophilen und hydrophoben Schichten mit lokal unterschiedlicher Stärke und den zusätzlichen Kapillarstrukturen.
Die Erfindung geht aus von der letztgenannten Schrift als nächstliegendem Stand der Technik. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative Vorrichtung zur Regulierung des Wasserhaushalts in Brennstoffzellen zu entwickeln.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Weitere Details und vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schlägt vor, durch eine entsprechende Strukturierung die GDL mit anisotropen Diffusionseigenschaften auszustatten. So entsteht beispielsweise eine GDL mit einer guten Diffusionsmöglichkeit für Wasserdampf von den Gas führenden Kanälen in Richtung MEA und einer dagegen verringerten Wasserdampf-Diffusionsrate quer dazu, also von Kanal zu Kanal der Gasverteilungsstruktur.
Erreicht wird eine anisotrope Diffusionsrate beispielsweise bei Gasdiffusionsschichten aus faserartigem Material, wie z. B. Graphitgewebe, durch eine gezielte Textur, d. h. die Faseranordnung bzw. Faserverflechtung ist so richtungsorientiert eingebracht, z. B. parallel zu den Kanälen und/oder Stegen der Gasverteilungsstruktur, dass Vorzugsrichtungen für Gasströmungen entstehen. Bei Gasdiffusionsschichten anderer Bauart ohne Faserstrukturen kann eine erfindungsgemäße Modifizierung dadurch erfolgen, dass in die GDL definierte Bereiche aus Material mit selektiven Durchlasseigenschaften bzgl. der verschiedenen Diffusionsmedien einer Brennstoffzelle, wie insbesondere Wasserdampf oder z. B. auch Sauerstoff, eingebracht werden. Vorzugsweise sind solche diffusionssteuernde Materialien in der GDL im Bereich der Stege, also zwischen den Kanälen der angrenzenden Gasverteilungsstruktur angeordnet. Damit kann insbesondere eine Querdiffusion über die GDL zwischen den Kanälen beeinflusst werden. Eine solche Ausführung ist insbesondere geeignet für eine Regulierung des Wasserhaushalts und der Gasverteilung der Reaktionsgase beim Gegenstromprinzip nach dem oben beschriebenen Dokument DE 102 29 820 A1 .
Auch Kombinationen beider Strukturierungsmaßnahmen, also in einer GDL mit anisotroper Faserstruktur zusätzlich eingebrachte Bereiche aus Material mit selektivem Diffusionscharakter, sind Teil der erfindungsgemäßen Lehre.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 2 und den darin angegebenen Bezugszeichen näher erläutert.
2 zeigt einen Ausschnitt durch die verschiedenen Lagen und Strukturen des Reaktionsbereichs einer Brennstoffzelle. Dargestellt ist die Membran-Elektroden-Anordnung 1 mit der angrenzenden Gasdiffusionsschicht 2 und der daran anliegenden Gasverteilungsstruktur aus Gas führenden Kanälen 4 und trennenden Stegen 5. Zur Beeinflussung von Diffusionsvorgängen in der GDL 2 sind in diesem Beispiel über den Stegen 5 der anliegenden Gasverteilungsschicht Bereiche 3 aus Material mit selektiven Diffusionseigenschaften angeordnet. Damit die reaktive Fläche der MEA 1 durch die erfindungsgemäße Strukturierung der GDL 2 nicht reduziert wird, erstrecken sich die Bereiche 3 entweder nicht bis zur MEA 1 oder sie sind, wie in 2 dargstellt, vorzugsweise dergestalt ausgebildet, dass sie sich zur MEA 1 hin verjüngen. Durch diese, beispielsweise prismenförmigen Bereiche 3 wird bei entsprechender Materialwahl die Diffusion von Reaktionsbestandteilen in der GDL 2 quer zu den Kanälen 4 reguliert. Je nach gewünschter Diffusionsrate kann dafür entsprechendes Material eingesetzt werden. Soll beispielsweise eine Diffusion von Kanal zu Kanal quer durch die Bereiche 3 vollständig unterbunden werden, so kann für diese Strukturen in der GDL 2 beispielsweise ein Epoxydkleber verwendet werden. Je nach Formgebung, Position und Ausdehnung der Bereiche 3 über den Stegen 5 und frei bleibendem Abstand zur MEA 1 findet dann ein entsprechend reduzierter Gasaustausch zwischen den Kanälen nur über die frei bleibenden Bereiche der GDL 2 statt.
Besonders vorteilhaft ist bei einer Ausführung nach 2 die Ausbildung der diffusionssteuernden Strukturen 3 aus Materialien, die selektive Durchlässigkeit für unterschiedliche Medien aufweisen. So eignet sich beispielsweise Polyphenylsulfon (PPSU), insbesondere mit hydrophilen Additiven wie z. B. Polyvinylalkohol, um einerseits einen Feuchtigkeitsausgleich von Kanal zu Kanal zu ermöglichen, andererseits eine unkontrollierte Durchmischung von Reaktionsgasen zu verhindern. Durch weitere Additive kann zusätzlich gezielt auch eine teilweise Durchlässigkeit für andere Gase, z. B. Sauerstoff eingestellt werden und damit eine Angleichung der Sauerstoffkonzentration auf der Kathodenseite der PEM erreicht werden. Damit ist eine Verbesserung der Stromdichteverteilung verbunden.
Die erfindungsgemäße Strukturierung der GDL zur Erzeugung von anisotropen Diffusionseigenschaften bietet eine Vielzahl an Ausgestaltungs- und Kombinationsmöglichkeiten. In weiten Bereichen veränderbare Parameter sind dabei einmal die Textureigenschaften der GDL-Schicht selbst und/oder die Form, Lage, Ausdehnung und das Material der Bereiche 3 in der GDL. Damit kann die GDL für medienabhängig unterschiedliche Querdiffusionsraten ausgelegt werden.
Durch den gezielt einstellbaren Austausch der verschiedenen Gasbestandteile zwischen den Kanälen ist sowohl ein Ausgleich von Feuchtigkeit möglich, als auch die Angleichung von Konzentrationsunterschieden der Reaktanden, z. B. des Sauerstoffgehalts. Damit verbunden ist eine Verbesserung der Stromdichteverteilung. Ingesamt führt dies zu einem Leistungsvorteil und einer Stabilisierung der Brennstoffzelle, was sich positiv auf die Lebensdauer der Zelle auswirkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 94/03937 A1 [0004]
- DE 10149059 A1 [0005]
- DE 10229820 A1 [0006, 0012]
- DE 102005011853 A1 [0007, 0007]

Claims

Brennstoffzelle mit Membran-Elektrolyt-Anordnung 1 (MEA), wobei die Reaktionsgase durch Kanäle 4 einer Gasverteilungsstruktur an eine Gasdiffusionsschicht 2 (GDL) herangeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht 2 lokal anisotrope Diffusionseigenschaften für Wasserdampf und/oder zumindest eines der Reaktionsgase aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die GDL 2 aus faserartigem Material besteht, bevorzugt Graphitgewebe, wobei anisotrope Diffusionseigenschaften durch Ausrichtung der Faseranordnung (Textur), bevorzugt parallel zu den Kanälen 4 und/oder Stegen 5 der Gasverteilungsstruktur, bewirkt werden.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die GDL 2 lokal Bereiche 3 aus diffusionssteuerndem Material aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche 3 über den Stegen 5 der Gasverteilungsstruktur angeordnet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bereiche 3 ein Material eingesetzt ist, das für Wasserdampf und Reaktionsgase undurchlässig ist, bevorzugt ein Epoxydkleber.
Brennstoffzelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bereiche 3 ein Material eingesetzt ist, das für Wasserdampf und Reaktionsgase selektiv unterschiedliche Diffusionsraten aufweist, bevorzugt ein Polyphenylsulfon.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass selektiv unterschiedliche Diffusionsraten durch Additive zum Material der Bereiche 3, bevorzugt hydrophile Additive wie Polyvinylalkohol, hervorgerufen werden.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche 3 über den Stegen 5 ein Profil aufweisen, das sich vom Steg 5 über die Dicke der GDL 2 zur MEA 1 hin verjüngt.