DE102008009414A1

DE102008009414A1 - Brennstoffzelle und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102008009414A1
Application number: DE102008009414A
Authority: DE
Inventors: Mario Dipl.-Ing. Zedda; Michael Dr.-Ing. Oszcipok; Alexander Dr. Dyck; Ulf Dipl.-Ing. Groos
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; FWB KUNSTSTOFFTECHNIK GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; FWB KUNSTSTOFFTECHNIK GmbH
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2009-08-20
Also published as: US20110171553A1; WO2009100944A1; EP2245687A1; JP2011512619A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Einheit, anodenseitigen und kathodenseitigen Elektroden, Stromableiterstrukturen und Verteilungsstrukturen für Brennstoff und Oxidans. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung derartiger Brennstoffzellen sowie einen Stack aus mehreren derartigen Brennstoffzellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Einheit, anodenseitigen und kathodenseitigen Elektroden, Stromableiterstrukturen und Verteilungsstrukturen für Brennstoff und Oxidans. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung derartiger Brennstoffzellen sowie einen Stack aus mehreren derartigen Brennstoffzellen.
Es sind Brennstoffzellensysteme bekannt, welche eine Membran-Elektroden-Einheit aufweisen, welche jeweils kathoden- und anodenseitig mit Stromableiterstrukturen versehen ist und entsprechende Zuführungen für Brennstoff und Oxidationsmittel aufweisen.
Derartige planare, selbstatmende Brennstoffzellen werden häufig mit Hilfe von spanenden Verfahren hergestellt und mit konventionellen Fügetechnologien montiert. Dies sind insbesondere Klebetechniken oder mechanische Verbindung, wie Verschrauben oder Klammern. Allerdings sind diese Herstellungsverfahren in der Regel aufwändig, teuer und zeigen Probleme hinsichtlich der Präzisierung.
Ein weiteres Problem derartiger Brennstoffzellen ist der Abtransport von Produktwasser an den selbstatmenden, freiliegenden Elektroden. Der passive Produktwasserabtransport erfolgt lediglich durch Verdampfen des kondensierten Wassers auf der Elektrodenoberfläche. Diese wird dabei durch die Wassereinlagerung verringert, was aufgrund der verkleinerten aktiven Elektrodenfläche zu einer geringeren Leistung der Brennstoffzelle führt.
Auch hinsichtlich des Antransports des Brennstoffs, z. B. Wasserstoff, Methanol, Ethanol oder chemische Hydride, können Probleme auftreten. Hier wird versucht, durch aktive Elemente, z. B. Pumpen oder Ventile, eine Lösung herbeizuführen. Allerdings sind derartige Lösungen fehleranfällig und verringern aufgrund des Eigenverbrauchs der aktiven Peripherieeinheiten den elektrischen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Brennstoffzellen bereitzustellen, die mit hoher Präzision und niedrigen Herstellungskosten herstellbar sind. Gleichzeitig sollen Brennstoffzellen mit höherer Effizienz ermöglichst werden.
Diese Aufgabe wird durch die gattungsgemäße Brennstoffzelle mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, durch den Stack mit den Merkmalen des Anspruchs 17 und das Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellen mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird eine Brennstoffzelle bereitgestellt, die folgende Komponenten aufweist:

a) mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit enthaltend mindestens eine anodenseitige und eine kathodenseitige Elektrode sowie mindestens eine zwischen den Elektroden angeordnete Membran,
b) anodenseitig und kathodenseitig angeordnete Stromableiterstrukturen sowie
c) anodenseitig und kathodenseitig angeordnete Verteilungsstrukturen für Brennstoff und Oxidans.

Besonderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, dass die genannten Komponenten a) bis c) in eine monolithisch aufgebaute Trägerstruktur integriert sind.
Unter monolithischer Trägerstruktur ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Trägerstruktur zu verstehen, die im Endzustand eine untrennbare Einheit bildet, d. h. aus einem Stück besteht. Hierunter sind aber auch Trägerstrukturhälften zu verstehen, die im Herstellungsprozess ohne Verwendung zusätzlicher Verschlussmittel, z. B. Adhäsionsmittel oder mechanische Verbindungen, stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Vorzugsweise besteht die Trägerstruktur aus einem polymeren und/oder keramischen Material oder enthält diese Materialien im Wesentlichen.
Als polymere Materialien sind insbesondere solche aus der Gruppe der Hochleistungspolymere bevorzugt. Unter Hochleistungspolymeren sind im Rahmen der vorliegenden Anmeldung Polymere zu verstehen, die sich gegenüber herkömmlichen Polymeren durch besondere Eigenschaften auszeichnen. Hierzu zählen u. a. eine hohe Dauerwärmebeständigkeit, eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe Reinheit.
Beispielhafte Polymere dieser Art sind Polyester, teilfluorierte Polymere, Polyacrylate, Polyetherimide, Polyethersulfone, Polyetherketone, Polysulfone, flüssigkristalline Polymere, Polyphenylsulfide, Polyacrylimide, Polyamidimide, Polyacetale und deren Elends.
Das keramische Material ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der hochfesten Oxidkeramiken. Hierzu zählen insbesondere Keramiken auf Basis von Zirkonoxid, Aluminiumoxid, Siliciumoxid und deren Mischoxide.
Es ist bevorzugt, dass als Trägerstruktur ein automatisiert hergestelltes Formgussteil verwendet wird. Hierfür geeignete Prozesstechniken sind der Spritzguss, das Prägen oder das Formstanzen. Auf diese Weise wird es ermöglicht, planare Brennstoffzellen mit samt den Stromableiterstrukturen und den Verteilungsstrukturen in die Trägerstruktur mit Hilfe eines Formgussverfahrens zu integrieren. Dadurch wird ermöglicht, dass die Brennstoffzellen direkt nach außen abgedichtet werden, ohne dass ein weiterer Bearbeitungsschritt notwendig wird.
Eine weitere bevorzugte Alternative sieht vor, dass die Trägerstruktur aus mindestens zwei Teilen gebildet ist, wobei diese Teile im Anschluss durch Ultraschallschweißen und/oder Sintern stoffschlüssig mit einander verbunden werden. Von der praktischen Umsetzung kann dies beispielsweise so realisiert werden, dass die Trägerstruktur als Ober- und Unterplatte aus einem polymeren Material oder einem keramischen Material mit Hilfe eines Formgussverfahrens gefertigt wird. Diese Platten können dann Stege oder ähnliche Strukturen aufweisen, die in einem nachfolgenden Schritt miteinander verbunden werden. Als Verbindungstechniken bieten sich hier Ultraschweißprozesse oder Sinterprozesse an. Auch bei dieser Variante können die innen liegenden Brennstoffzellen gas- und flüssigkeitsdicht gegenüber der Umgebung verkapselt werden.
Um eine hohe Flexibilität der Brennstoffzelle zu ermöglichen, ist es ebenfalls bevorzugt, dass in die Trägerstruktur Anschlüsse für die Zuführung von Brennstoff und Oxidationsmittel integriert sind. Hierzu zählen insbesondere Oliven oder Steckanschlüsse für den Anschluss von Schläuchen oder Adaptern. Auf diese Weise können die Brennstoffzellen direkt nach außen abgedichtet werden, ohne dass ein weiterer Bearbeitungsschritt bei der Herstellung notwendig ist.
Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass die Trägerstruktur eine Vorspannung aufweist, die einen homogenen Anpressdruck auf den Schichtaufbau der Elektroden und der mindestens einen Membran ermöglicht. Das Material der Trägerstruktur weist bei der Fixierung der Elektroden eine Vorspannung auf, so dass eine dauerhaft voreingestellte Kompression der aktiven Komponenten vorliegt.
Brennstoffzellen können anoden- und kathodenseitig kapillare Strukturen zum Transport von Medien, insbe sondere von Edukten und Reaktionsprodukten, wie z. B. Wasser, aufweisen. Derartige kapillare Strukturen, wie z. B. Mappen oder ähnliche Strukturen, können in die Formgussform eingelegt werden und während des Formgussvorgangs auf der Außen- und/oder Innenseite des erfindungsgemäßen Bauteils fixiert werden. Diese kapillaren Strukturen übernehmen dann z. B. die Funktion des passiven Abtransports von Reaktionsprodukten. Ebenso ist es aber auch möglich, dass die kapillaren Strukturen direkt während des Formgussverfahrens in dem Formgussmaterial abgebildet werden, so dass das Einspritzen weiterer Materialien entfallen kann.
Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass die Brennstoffzelle auf der kathodenseitigen und/oder anodenseitigen Oberfläche hydrophil und/oder hydrophob beschichtet ist. Die Beschichtung besteht dabei vorzugsweise aus einem Fasermaterial, besonders bevorzugt in Form einer Beflockung. Auch diese Beschichtungen können dann für den Antransport des Brennstoffs und/oder für den Abtransport der Reaktionsprodukte verwendet werden.
Ebenso kann die Brennstoffzelle auf der kathodenseitigen und/oder anodenseitigen Oberfläche eine Metallisierung aufweisen, die z. B. als Stromableiterstruktur oder Verschaltung dienen kann.
Es ist weiter bevorzugt, dass die Brennstoffzelle kathodenseitig und anodenseitig Diffusionsschichten aufweist.
Ebenso ist es möglich, dass die Brennstoffzelle mindestens eine Gastrennmembran zur Abführung gasförmiger Medien besitzt.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Stack bereitgestellt, der mindestens zwei der zuvor beschriebenen Brennstoffzellen enthält.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung der zuvor beschriebenen Brennstoffzelle bereitgestellt, bei dem mittels automatisiertem Formguss die Membran-Elektroden-Einheit, die Stromableiterstrukturen und die Verteilungsstrukturen für Brennstoff und Oxidans in die Trägerstruktur integriert werden.
Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Brennstoffzellen sieht vor, dass die Trägerstruktur aus mindestens zwei Teilen aufgebaut ist, die Membran-Elektroden-Einheit, die Stromableiterstrukturen und die Verteilungsstrukturen für Brennstoff und Oxidans in die Trägerstruktur eingebaut werden und anschließend eine stoffschlüssige Verbindung der mindestens zwei Teile der Trägerstruktur erfolgt.
Die stoffschlüssige Verbindung erfolgt dabei vorzugsweise durch Ultraschallschweißen und/oder Sintern.
Weiterhin ist bevorzugt, dass zusätzlich kapillare Strukturen zum Transport von Medien, insbesondere Edukten und Reaktionsprodukten, Anschlüsse für die Zuführung auch innerhalb der Brennstoffzelle von Brennstoff und Oxidationsmittel in die Trägerstruktur integriert werden.
Die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Brennstoffzelle und das Verfahren zu deren Herstellung bringen den Vorteil mit sich, dass Brennstoffzellen mit hoher Genauigkeit und niedrigen Herstellungskosten erzeugt werden können. Die Assemblierung mit Hilfe der genannten Verbindungstechniken, z. B. Ultraschallschweißen oder Sintern, ist sehr schnell und erfordert insbesondere keine zusätzlichen Materialien. Ebenso kann die beschriebene Integration kapillarer Strukturen in den Formgussprozess den Wasserhaushalt und den Austrag von Produktwasser auf passive Art und Weise verbessern. Dadurch wird die Effizienz von planaren Brennstoffzellensystemen gesteigert. Durch die beschriebene definierte Oberflächenbeschichtung kann ebenso der Wasserhaushalt in Abhängigkeit von Temperatur, freier Konvektion und einer definierten Rückführung gesteuert werden.
Anhand der nachfolgenden Figur soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher beschrieben werden, ohne diesen auf die hier gezeigte spezielle Ausführungsformen einschränken zu wollen.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle abgebildet, die eine obere Gehäusehälfte 3 und eine untere Gehäusehälfte 3', die die Trägerstruktur bilden, zeigt. In diese Trägerstruktur ist eine Membran-Elektroden-Einheit aus einer Membran 5, einer Kathode 4 und einer Anode 6 integriert. Weiterhin sind anodenseitig und kathodenseitig Stromableiterstrukturen 1, 1' in die Trägerstruktur eingebettet. Auf der Anodenseite befinden sich weiterhin Brennstoffverteilerkanäle 2, die auf der der Anode 6 abgewandten Seite der Stromableiterstruktur angeordnet sind. Auf der Kathodenseite sind zusätzliche Oxidationskanäle 7, die z. B. eine hydrophile oder auch hydrophobe Oberfläche aufweisen können, angeordnet. Weiterhin zeigt die Kathodenseite hydrophile und/oder hydrophobe Kapillarstrukturen 8. Die Verbindung der Gehäusehälften 3, 3' wird durch die Verbindungsnaht 9, die z. B. eine Ultraschallschweißnaht sein kann, dargestellt. Die Membran weist eine Dichtfläche 10 gegenüber der Trägerstruktur auf, so dass eine Verkapselung gegenüber der Umgebung vorliegt.

Claims

Brennstoffzelle mit a) mindestens einer Membran-Elektroden-Einheit enthaltend mindestens eine anodenseitige und eine kathodenseitige Elektrode sowie mindestens eine zwischen den Elektroden angeordnete Membran, b) anodenseitig und kathodenseitig angeordnete Stromableiterstrukturen sowie c) anodenseitig und kathodenseitig angeordnete Verteilungsstrukturen für Brennstoff und Oxidans, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten a) bis c) in eine monolithisch aufgebaute Trägerstruktur integriert sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur aus einem polymeren und/oder keramischen Material besteht oder im Wesentlichen enthält.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material ausgewählt ist aus der Gruppe der Hochleistungspolymere.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Ma terial ausgewählt ist aus der Gruppe der hochfesten Oxidkeramiken, insbesondere auf Basis von Zirkonoxiden, Aluminiumoxiden, Siliciumoxiden und deren Mischungen.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur einstückig ist.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur ein automatisiert hergestelltes Formgussteil, insbesondere durch Spritzgießen, Prägen oder Formstanzen, ist.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur aus mindestens zwei Teilen gebildet ist, die durch Ultraschallschweißen und/oder Sintern stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenseite der Brennstoffzelle gegenüber der Umgebung gas- und flüssigkeitsdicht gekapselt sind.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Trägerstruk tur Anschlüsse für die Zuführung von Brennstoff und Oxidationsmittel, insbesondere Oliven oder Steckanschlüsse für den Anschluss von Schläuchen oder Adaptern, integriert sind.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur eine Vorspannung aufweist, die einen homogenen Anpressdruck auf den Schichtaufbau der Elektroden und der mindestens einen Membran ermöglicht.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle kathoden- und/oder anodenseitig kapillare Strukturen zum Transport von Medien, insbesondere Edukten und Reaktionsprodukten, z. B. Wasser, aufweist.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle auf der kathodenseitigen und/oder anodenseitigen Oberfläche hydrophil und/oder hydrophob beschichtet ist.
Brennstoffzelle nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einem Fasermaterial, insbesondere in Form einer Beflockung, besteht.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle auf der kathodenseitigen und/oder anodenseitigen Oberfläche eine Metallisierung aufweist, die als Stromableiterstruktur und/oder Verschaltung dient.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle kathodenseitig und anodenseitig Diffusionsschichten aufweist.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle mindestens eine Gastrennmembran zur Abführung gasförmiger Medien aufweist.
Stack enthaltend mindestens zwei Brennstoffzellen nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mittels automatisierten Formguss die Membran-Elektroden-Einheit, die Stromableiterstrukturen und die Verteilungsstrukturen für Brennstoff und Oxidans in die Trägerstruktur integriert werden.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Trägerstruktur aus mindestens zwei Teilen aufgebaut ist, die Membran-Elektroden-Einheit, die Stromableiterstrukturen und die Verteilungsstrukturen für Brennstoff und Oxidans in die Trägerstruktur eingebaut werden und anschließend eine stoffschlüssige Verbindung der mindestens zwei Teile der Trägerstruktur erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung durch Ultraschallschweißen und/oder Sintern erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich kapillare Strukturen zum Transport von Medien, insbesondere Edukten und Reaktionsprodukten, Anschlüsse für die Zuführung auch innerhalb der Brennstoffzelle von Brennstoff und Oxidationsmittel in die Trägerstruktur integriert werden.