DE102018212498A1 - Elektrode für eine Brennstoffzelle oder einen Stapel von Brennstoffzellen - Google Patents

Elektrode für eine Brennstoffzelle oder einen Stapel von Brennstoffzellen Download PDF

Info

Publication number
DE102018212498A1
DE102018212498A1 DE102018212498.1A DE102018212498A DE102018212498A1 DE 102018212498 A1 DE102018212498 A1 DE 102018212498A1 DE 102018212498 A DE102018212498 A DE 102018212498A DE 102018212498 A1 DE102018212498 A1 DE 102018212498A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
electrode
fuel cell
plate
solid
microns
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102018212498.1A
Other languages
English (en)
Inventor
Harald Bauer
Juergen Hackenberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102018212498.1A priority Critical patent/DE102018212498A1/de
Publication of DE102018212498A1 publication Critical patent/DE102018212498A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023Porous and characterised by the material
    • H01M8/0239Organic resins; Organic polymers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241Composites
    • H01M8/0243Composites in the form of mixtures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H01M8/0254Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form corrugated or undulated
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Elektrode (11) für eine Brennstoffzelle (2) oder einen Stapel (3) von Brennstoffzellen (2), umfassend einen plattenförmigen, elektrisch leitfähigen Festkörper (1) mit einer ersten Oberfläche (1a), welche zur Herstellung des elektrischen Kontakts mit einem Elektrolyten (21) der Brennstoffzelle (2) ausgebildet ist, und mit einer zweiten Oberfläche (1b), welche zur Herstellung des elektrischen Kontakts mit einer die Brennstoffzelle begrenzenden Platte (23) ausgebildet ist, wobei diese zweite Oberfläche (1b) Aussparungen (1c) aufweist, die dazu ausgebildet sind, mit der die Brennstoffzelle (2) begrenzenden Platte (23) zusammenzuwirken und eine Verteilerstruktur (24) für ein Betriebsmedium, und/oder für ein Produkt, der Brennstoffzelle (2) zu bilden, wobei der Festkörper (1) eine offene, für das Betriebsmedium, bzw. für das Produkt, durchgängige Porosität aufweist.
Halbzeuge (4, 5) für die Fertigung einer Brennstoffzelle (2) oder eines Brennstoffzellenstapels (3).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Elektroden, die in Brennstoffzellen oder Stapeln von Brennstoffzellen zwischen einer die Brennstoffzelle begrenzenden Platte und dem Elektrolyten einsetzbar ist.
  • Stand der Technik
  • In einer Brennstoffzelle werden Ionen eines in einem Anodenraum vorgelegten Brennstoffs durch einen ionenleitfähigen Elektrolyten in einen Kathodenraum transportiert, um mit einem im Kathodenraum vorgelegten Oxidationsmittel zu reagieren. Dabei werden Elektronen freigesetzt, die durch einen externen elektrischen Verbraucher geführt werden können.
  • Da eine einzelne Brennstoffzelle nur eine geringe elektrische Spannung von maximal etwa 1,2 V liefert, sind für viele technische Anwendungen eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel in Reihe geschaltet. In einem solchen Stapel trennt eine bipolare Platte den Kathodenraum einer Brennstoffzelle vom Anodenraum der benachbarten Brennstoffzelle. Die bipolare Platte enthält typischerweise Gasverteilerstrukturen mit Abmessungen in der Größenordnung von Millimetern für die Verteilung des Brennstoffs im Anodenraum und für die Verteilung des Oxidationsmittels im Kathodenraum. Um diese Betriebsmittel gleichmäßig über den Elektrolyten zu verteilen, grenzt an die Gasverteilerstrukturen in der bipolaren Platte jeweils eine Gasdiffusionsschicht an. Diese Gasdiffusionsschicht weist eine offene Porosität auf.
  • Die WO 2018/108 552 A1 offenbart eine bipolare Platte für eine Brennstoffzelle, bei der ein gewebtes Vlies sowohl die Funktion der Gasverteilerstruktur als auch die Funktion der Gasdiffusionsschicht erfüllt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Im Rahmen der Erfindung wurde eine Elektrode für eine Brennstoffzelle oder einen Stapel von Brennstoffzellen entwickelt. Diese Elektrode umfasst einen plattenförmigen, elektrisch leitfähigen Festkörper mit einer ersten Oberfläche, welche zur Herstellung des elektrischen Kontakts mit einem Elektrolyten der Brennstoffzelle ausgebildet ist. Dieser elektrische Kontakt kann insbesondere durch weitere Schichten vermittelt sein. Beispielsweise kann ein membranförmiger Elektrolyt zu beiden Seiten jeweils mit einer mikroporösen Schicht belegt sein, die mit einem Katalysatormaterial versetzt sein kann. Der Elektrolyt kann beispielsweise mit diesen Schichten eine Membran-Elektroden-Einheit bilden.
  • Die zweite Oberfläche des Festkörpers ist zur Herstellung des elektrischen Kontakts mit einer die Brennstoffzelle begrenzenden Platte ausgebildet ist. Bei einer einzelnen Brennstoffzelle, bzw. der ersten oder letzten Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels, kann dies beispielsweise eine Endplatte sein, die die einen Anodenraum oder Kathodenraum von der Außenwelt abgrenzt. Im Inneren eines Brennstoffzellenstapels wird jede Brennstoffzelle typischerweise beidseitig durch bipolare Platten begrenzt und zugleich elektrisch mit der jeweils benachbarten Brennstoffzelle verbunden.
  • Die zweite Oberfläche des Festkörpers weist Aussparungen auf, die dazu ausgebildet sind, mit der die Brennstoffzelle begrenzenden Platte zusammenzuwirken und eine Verteilerstruktur für ein Betriebsmedium, und/oder für ein Produkt, der Brennstoffzelle zu bilden. Dabei weist der Festkörper eine offene, für das Betriebsmedium, bzw. für das Produkt, durchgängige Porosität auf.
  • Eine solche Elektrode kombiniert die Funktion der Verteilerstruktur mit der Funktion der Gasdiffusionsschicht. Somit werden in der an die Elektrode angrenzenden Platte keine weiteren Verteilerstrukturen benötigt. Die Platte kann also insgesamt dünner ausgeführt sein, so dass insbesondere die Gesamtdicke eines Brennstoffzellenstapels bei gleicher Leistung deutlich reduziert werden kann. Beispielsweise benötigt eine Membran als Elektrolyt nur ca. 20 µm bis 50 µm Bauhöhe, während eine als Vlies ausgebildete Gasdiffusionsschicht bereits zwischen 100 µm und 200 µm Bauhöhe benötigt.
  • Dabei kommt insbesondere in einem Brennstoffzellenstapel der weitere Vorteil zur Geltung, dass eine als Festkörper ausgebildete Elektrode beim Verpressen des Brennstoffzellenstapels nur wenig komprimiert wird. Somit werden die Eigenschaften der Elektrode bezüglich der Verteilung der jeweiligen Betriebsmittel und der Abfuhr von Produktwasser durch das Verpressen nur wenig verändert. Ein Vlies hingegen kann in seiner Dicke bis auf die Hälfte komprimiert werden.
  • Die Ausbildung der Elektrode als Festkörper verbessert die Stabilität der Brennstoffzelle, bzw. des Brennstoffzellenstapels. Beispielsweise kann eine dem Elektrolyten zugewandte Grenzfläche der Elektrode im Wesentlichen eben sein, so dass sie sich gut als Auflagefläche für eine als Elektrolyt verwendete Membran, bzw. für eine Membran-Elektroden-Einheit mit dieser Membran, eignet. Dabei ist die Elektrode mit ihrer zweiten Oberfläche gut gegen die die Brennstoffzelle begrenzende Platte abgestützt. Ein mechanischer Druck auf die Membran wird somit abgefangen und in die die Brennstoffzelle begrenzende Platte abgeleitet.
  • Zugleich wird die Herstellung der Brennstoffzelle, bzw. des Brennstoffzellenstapels, vereinfacht. Eine als Festkörper ausgebildete Elektrode ist leicht zu handhaben, insbesondere in der Massenfertigung. Die Elektrode kann beispielsweise flächig in Form von Bahnen hergestellt werden. Auch die Brennstoffzelle begrenzende Platten oder Membran-Elektroden-Einheiten können in Form von Bahnen hergestellt werden. Die entsprechenden Bahnen können dann beispielsweise miteinander laminiert werden.
  • Der insgesamt zur Verfügung stehende freie Querschnitt für die Gasversorgung der Reaktionsflächen ist vorteilhaft deutlich größer als beispielsweise der von den Poren eines Schaums bereitgestellte freie Querschnitt. Auch können die Aussparungen gemeinsam mit einer ebenen die Brennstoffzelle begrenzenden Platte einen freien Querschnitt bereitstellen, der dem freien Querschnitt der bislang in metallische Bipolarplatten geprägten Strukturen nicht nachsteht.
  • Die freien Querschnitte sind jeweils auch weitgehend unabhängig von dem Druck, der durch das Verpressen des Brennstoffzellenstapels auf der Elektrode lastet. Zusätzlich kann dieser Druck gleichmäßiger über die Fläche der Elektrode verteilt werden, da die die Brennstoffzelle begrenzende Platte mit einer ebenen Fläche an die Elektrode angrenzen kann.
  • Dies wiederum bedingt, dass das Produktwasser der Brennstoffzelle besser abgeführt werden kann. Die Porosität der Elektrode ist auf ihrer ersten Oberfläche überall gleich. Zur guten Entwässerung trägt weiterhin bei, dass der Übergang vom hydrophoben Material der Elektrode zum hydrophilen Material der die Brennstoffzelle begrenzenden Platte in maximaler Entfernung zum Elektrolyten stattfindet. Das Produktwasser kann sich insbesondere beispielsweise gasförmig durch die Porosität der Elektrode bewegen und erst an der gekühlten Platte, die die Brennstoffzelle begrenzt, kondensieren.
  • Eine gute Benetzung der Bipolarplatte kann dann die Entwässerung beschleunigen. Wenn der Übergang von hydrophobem zu hydrophilem Material hingegen in der Nähe zum Elektrolyten stattfindet, kann gestautes Produktwasser möglicherweise den Antransport des Oxidationsmittels behindern.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der Festkörper bei einer Flächenbelastung von 150 N/cm2 um nicht mehr als 10 % in seiner Dicke komprimierbar. Wenn zumindest eine von Null verschiedene Kompression möglich ist, dann kann die Elektrode einen Ausgleich von Fertigungstoleranzen im Brennstoffzellenstapel bewirken. Diese Toleranzen lassen sich auf Grund der Vielzahl der zu montierenden Teile nicht ganz vermeiden.
  • Vorteilhaft umfassen die Aussparungen Nuten mit einer Breite zwischen 100 µm und 2 mm, bevorzugt zwischen 200 µm und 1,5 mm. Diese Breiten lassen sich beispielsweise durch Walzen großflächig herstellen. Auch eine Tiefe der Nuten von vorteilhaft zwischen 100 µm und 500 µm, bevorzugt zwischen 200 µm und 300 µm, lässt sich fertigungstechnisch einfach herstellen. Die genannten Dimensionen sind ein Optimum zwischen den konkurrierenden Zielen eines möglichst großen freien Querschnitts der Verteilerstruktur, einer möglichst geringen Gesamtdicke der Elektrode und einer guten mechanischen Stabilität beim Verpressen des Brennstoffzellenstapels.
  • Ein solches Optimum stellt auch eine Gesamtdicke des als Elektrode ausgebildeten Festkörpers zwischen 200 µm und 600 µm dar. Eine Kombination aus einer Gasverteilerstruktur in einer Bipolarplatte (etwa 400 µm dick) und einer Gasdiffusionselektrode (etwa 100 µm bis 200 µm dick) kommt auf insgesamt etwa 500 µm bis 600 µm, so dass in vielen Fällen eine deutliche Einsparung von Bauhöhe möglich ist.
  • Ein kreisrunder oder elliptischer Querschnitt von Nuten als Aussparungen sorgt dabei nach Art eines Gewölbes für eine erhöhte Stabilität.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Festkörper als Festkörperverbund aus elektrisch leitfähigen Partikeln ausgebildet. In einem solchen Festkörper lässt sich besonders einfach eine gewünschte offene, durchgängige Porosität einstellen. Neben dem Material und der mittleren Größe der Partikel kann hierbei insbesondere die Packungsdichte als Freiheitsgrad genutzt werden. Weiterhin ist die Herstellung auch mit großflächigen Verfahren möglich. Beispielsweise können dünne Elektroden mit Slurry-Verfahren, also Aufschlämmungen von Partikeln, durch Drucken oder Filmziehen hergestellt werden, während Elektroden ab einer Dicke von 100 µm beispielsweise durch Filmwalzen von Partikelmischungen oder mehrlagiges Drucken hergestellt werden können. Die Bildung eines festen Verbundes aus den Partikeln kann insbesondere durch Sintern oder eine andere Wärmebehandlung initiiert werden. Bei der Verwendung von gelösten Lösemitteln in einer Partikelmischung kann der Verbund analog durch Entfernen des Lösemittels hergestellt werden. Ein Einprägen von Aussparungen ist insbesondere bei dickeren Filmen durch strukturierte Walzen im Durchlauf oder durch Prägen mit Stempeln möglich. Die Aussparungen können auch beispielsweise nachträglich durch Laserbearbeitung eingebracht werden, wobei dann allerdings Material verloren geht.
  • Vorteilhaft umfasst der Festkörperverbund ein Gemisch aus den elektrisch leitfähigen Partikeln und einem amorphen Binder. Damit kann die Stabilität der Elektrode insgesamt gesteigert werden. Weiterhin sind für die Aushärtung des Binders geringere Prozesstemperaturen notwendig als für das Sintern metallischer Partikel oder auch von PTFE.
  • Besonders vorteilhaft ist die mittlere Größe der Partikel im Bereich der ersten Oberfläche, die nach dem Zusammenbau der Brennstoffzelle dem Elektrolyt zugewandt ist, geringer als im Bereich der zweiten Oberfläche, die nach dem Zusammenbau der Brennstoffzelle der die Brennstoffzelle begrenzenden Platte zugewandt ist.
  • Wenn die Elektrode beispielsweise als Kathode dient und ihre zweite Oberfläche einer gekühlten bipolaren Platte als die Brennstoffzelle begrenzender Platte zugewandt ist, so wird in der Nähe dieser zweiten Oberfläche vermehrt Produktwasser kondensieren. Durch eine größere mittlere Größe der Partikel in diesem Bereich sind auch die Poren der offenen Porosität in diesem Bereich weiter, so dass das Produktwasser besser abtransportiert werden kann.
  • Umgekehrt nimmt die Weite der Poren ausgehend von der Verteilerstruktur bis hin zu der ersten Oberfläche der Elektrode, die nach dem Zusammenbau der Brennstoffzelle dem Elektrolyt zugewandt ist, sukzessive ab. Die Betriebsmittel werden also ausgehend von der Verteilerstruktur zunehmend feiner über die Fläche des Elektrolyten verteilt, so dass diese Fläche optimal ausgenutzt wird.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Elektrode zumindest teilweise durch schichtweisen Aufbau mittels 3D-Druck hergestellt. Dies dauert möglicherweise länger als das parallele Fertigen mit großflächigen Verfahren, jedoch ist es möglich, nahezu beliebige Strukturen herzustellen.
  • Die Elektrode kann in der Brennstoffzelle gleichermaßen als Anode und als Kathode dienen. Insbesondere können in ein und derselben Brennstoffzelle sowohl die Anode als auch die Kathode als die beschriebene Elektrode ausgebildet sein. Als Kathode hat die Elektrode, wie zuvor beschrieben, den Vorteil, dass sie auch die Abführung des Produktwassers verbessert.
  • Wie zuvor beschrieben, kann die Elektrode durch Laminieren oder Drucken mit einer Endplatte oder Bipolarplatte verbunden werden. Das bedeutet, dass eine Elektrode zusammen mit einer Endplatte oder Bipolarplatte einen festen Verbund bilden kann, der bei der Montage der Brennstoffzelle, bzw. des Brennstoffzellenstapels, als eine Einheit gehandhabt werden kann. Eine Bipolarplatte kann sogar mit zwei Elektroden einen festen Verbund bilden und so die Anzahl der bei der Fertigung zu handhabenden Teile weiter reduzieren.
  • Daher bezieht sich die Erfindung auch auf ein Halbzeug für die Fertigung einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels. Dieses Halbzeug umfasst eine Endplatte oder Bipolarplatte für die Brennstoffzelle, bzw. den Brennstoffzellenstapel. Die Endplatte oder Bipolarplatte weist mindestens eine ebene Oberfläche auf mit einem zentralen Bereich, in dem die beschriebene Elektrode aufgebracht ist. Weiterhin ist ein den zentralen Bereich umlaufender, von der Elektrode unbelegter Randbereich vorgesehen.
  • Der Randbereich kann dann zum einen der Handhabung des Halbzeugs dienen ohne Gefahr, das Material der Elektrode zu beschädigen. Zum anderen kann der Randbereich zur Aufnahme von Dichtungen dienen, mit denen das Entweichen von Betriebsmitteln aus dem Anodenraum oder Kathodenraum der Brennstoffzelle verhindert wird.
  • Wie zuvor beschrieben, ist die Elektrode vorteilhaft auf die Endplatte aufgedruckt oder auflaminiert. Diese Verfahren sind besonders einfach großflächig anwendbar.
  • In analoger Weise kann auch ein Verbund aus einer Membran-Elektroden-Einheit und der Elektrode hergestellt werden. Auf einer oder auf beiden Seiten dieser Membran-Elektroden-Einheit kann dann beispielsweise die mikroporöse Schicht, die auf der Membran in der Mitte der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet ist, an die Elektrode angrenzen. Es kann dann ein besonders guter elektrischer Kontakt zwischen der porösen Elektrode einerseits und der mikroporösen Schicht andererseits hergestellt werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Elektrode aufgedruckt oder auflaminiert ist.
  • Somit bezieht sich die Erfindung auch auf ein weiteres Halbzeug für die Fertigung einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels. Dieses Halbzeug umfasst eine Membran-Elektroden-Einheit mit einem membranförmigen Elektrolyt, welcher zwischen zwei feste mikroporöse Schichten eingefasst ist, wobei auf der dem Elektrolyt abgewandten Seite mindestens einer der mikroporösen Schichten die zuvor beschriebene Elektrode aufgebracht ist.
  • Der Verbund zwischen der Endplatte oder der bipolaren Platte einerseits und der Elektrode andererseits, bzw. zwischen der Membran-Elektroden-Einheit einerseits und der Elektrode andererseits, kann insbesondere zunächst flächig hergestellt werden, beispielsweise in Bahnen. Aus diesen Bahnen können dann passende Einheiten dieses Verbundes zum Einbau in konkrete Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapel ausgeschnitten werden.
  • Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
  • Figurenliste
  • Es zeigt:
    • 1 Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Elektrode 11;
    • 2 Schematische Darstellung eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels 3, in dem ein Ausführungsbeispiel der Elektrode 11 eingebaut ist;
    • 3 Schematische Darstellung der verbesserten Entwässerung durch die Elektrode 11;
    • 4 Beispielhafte Halbzeuge 4 und 5, in denen die Elektrode 11 auf eine Bipolarplatte 23 (4a), bzw. auf eine Membran-Elektroden-Einheit 20 ( 4b), aufgebracht ist.
  • Nach 1 umfasst die beispielhafte Elektrode 11 einen plattenförmigen, elektrisch leitenden Festkörper 1. 1a zeigt eine Aufsicht auf die erste Oberfläche 1a dieses Festkörpers 1. 1b zeigt eine Aufsicht auf die zweite Oberfläche 1b dieses Festkörpers 1. Die zweite Oberfläche 1b weist Aussparungen 1c in Form von Nuten mit rundem Querschnitt auf.
  • 1c veranschaulicht die innere Struktur des Festkörpers 1 in einer Schnittzeichnung. Der Festkörper 1 ist ein Verbund aus elektrisch leitenden Partikeln 12, 12a, 12b, von denen zur Veranschaulichung nur einige wenige eingezeichnet sind. Zur besseren Veranschaulichung der dreidimensionalen Struktur des Festkörpers 1 sind diejenigen Partikel 12, die von der mit der Zeichenebene geschnitten werden, schraffiert eingezeichnet und mit dem Bezugszeichen 12a bezeichnet. Diejenigen Partikel 12, die nicht von der Zeichenebene geschnitten werden, sind mit gestricheltem Umriss eingezeichnet und mit dem Bezugszeichen 12b bezeichnet. Diese Darstellung veranschaulicht insbesondere, dass es innerhalb der Zeichenebene eine offene, für Betriebsmittel der in 1 nicht eingezeichneten Brennstoffzelle 2 durchgängige Porosität in dem Festkörper 1 gibt und der Festkörper 1 gleichwohl eine dreidimensional vernetzte Struktur ist.
  • 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem beispielhaften Brennstoffzellenstapel 3, in dem die Elektrode 11 zum Einsatz kommt, in Schnittzeichnung. Eine Brennstoffzelle 2 des Brennstoffzellenstapels 3 ist in 3 vollständig dargestellt und erstreckt sich über den Zwischenraum zwischen den beiden Bipolarplatten 23 des Brennstoffzellenstapels 3.
  • Der Brennstoffzellenstapel 3 ist eine sich zyklisch wiederholende Anordnung aus, von unten nach oben gesehen, Bipolarplatte 23, Elektrode 11, Membran-Elektroden-Einheit 20 sowie Gasdiffusionsschicht 27. Im Anschluss an die Gasdiffusionsschicht 27 beginnt der Zyklus erneut mit der nächsten Bipolarplatte 23.
  • Jede Bipolarplatte 23 hat an ihrer Unterseite eine Gasverteilerstruktur 25, die in dem in 2 gezeigten Beispiel für gasförmigen Wasserstoff als Brennstoff genutzt wird. Zusätzlich ist an der Unterseite der Bipolarplatte 23 ein Kühlkanal 26 angeordnet. Die Unterseite der Bipolarplatte 23 ist dem Kathodenraum der Brennstoffzelle 2 zugewandt und enthält die Gasdiffusionsschicht 27 für den gasförmigen Wasserstoff.
  • Die Oberseite jeder Bipolarplatte 23 ist dem Kathodenraum der Brennstoffzelle 2 zugewandt und bildet mit den Aussparungen 1c der daran anliegenden Elektrode 11 eine Gasverteilerstruktur 24 für Luft oder gasförmigen Sauerstoff als Oxidationsmittel.
  • Die Membran-Elektroden-Einheit 20 trennt Anodenraum und Kathodenraum der Brennstoffzelle 2. Sie umfasst eine protonenleitende Membran 21, die beidseitig von mikroporösen Schichten 22a, 22b eingefasst ist.
  • Der Anodenraum und der Kathodenraum einer jeden Brennstoffzelle 2 sind mit umlaufenden Dichtungen 28 abgedichtet, die ein ungewolltes Entweichen von Sauerstoff bzw. Luft, Wasserstoff und/oder Produktwasser verhindern. Der Brennstoffzellenstapel wird von oben und von unten mit einer Kraft F verpresst, die unter anderem dafür sorgt, dass die Dichtungen 28 zusammengedrückt werden und sich dabei seitlich ausdehnen. Auf diese Weise füllen die Dichtungen 28 jeweils die Spalte, in denen sie sich befinden.
  • 3 veranschaulicht, warum der Einsatz der Elektrode 11 die Abführung von Produktwasser verbessert.
  • 3a zeigt einen Ausschnitt aus einem beispielhaften Brennstoffzellenstapel 3' nach dem bisherigen Stand der Technik. Hier ist die Oberseite der Bipolarplatte 23 nicht eben, sondern der Kühlkanal 26 erstreckt sich auch auf diese Oberseite, und dort befindet sich eine weitere Gasverteilstruktur 29. An Stelle der Elektrode 11 ist eine weitere Gasdiffusionsschicht 27' für das Oxidationsmittel (Sauerstoff oder Luft) vorgesehen. Da die Wandung des Kühlkanals 26 der kälteste Ort im Kathodenraum ist, kondensiert dort, wo sie in Kontakt mit der Gasdiffusionsschicht 27' ist, am meisten Produktwasser. Da zugleich die Kraft F des Verpressens gerade dort wirkt und die Poren der Gasdiffusionsschicht 27' zusammendrückt, entsteht ein Engpass E für den Abtransport des Produktwassers.
  • 3b zeigt im Vergleich dazu, wie sich der Einsatz der neuartigen Elektrode 11 auswirkt. Da die Aussparungen 1c zusammen mit einer ebenen Oberseite der Bipolarplatte 23 eine Verteilstruktur 24 für das Oxidationsmittel bilden, fehlt eine solche Verteilstruktur in der Oberseite der Bipolarplatte 23 selbst. Die Elektrode 11 ist deutlich weniger kompressibel als die Gasdiffusionsschicht 27', so dass ihre Porosität durch das Verpressen mit der Kraft F nicht wesentlich geschmälert wird. Das Produktwasser kann daher entlang der durchgezogenen Pfeile ungehindert in die Verteilstruktur 24 eindringen, und es kann entlang der gestrichelten Pfeile die Oberseite der Bipolarplatte 23 benetzen.
  • 4a zeigt ein Ausführungsbeispiel eines ersten Halbzeugs 4 für die Fertigung einer Brennstoffzelle 2, bzw. eines Brennstoffzellenstapels 3. Auf beiden Oberflächen 23a und 23b einer Bipolarplatte 23 ist jeweils eine Elektrode 11 aufgebracht, wobei die zweite Oberfläche 1b der Elektrode 11 mit den Aussparungen 1c jeweils der Bipolarplatte 23 zugewandt ist. Ein Brennstoffzellenstapel 3 kann beispielsweise durch eine sich wiederholende, alternierende Anordnung aus Halbzeugen 4 und Membran-Elektroden-Einheiten 20 gebildet werden.
  • 4b zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zweiten Halbzeugs 5 für die Fertigung einer Brennstoffzelle 2, bzw. eines Brennstoffzellenstapels 3. Hier sind die beiden mikroporösen Schichten 22a, 22b einer Membran-Elektroden-Einheit 20 mit der Elektrode 11 gekoppelt, wobei die erste Oberfläche 1a der Elektrode 11 jeweils der Membran-Elektroden-Einheit 20 zugewandt ist. Ein Brennstoffzellenstapel 3 kann beispielsweise durch eine sich wiederholende, alternierende Anordnung aus Halbzeugen 5 und Membran-Elektroden-Einheiten 20 gebildet werden.
  • 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 2018/108552 A1 [0004]

Claims (13)

  1. Elektrode (11) für eine Brennstoffzelle (2) oder einen Stapel (3) von Brennstoffzellen (2), umfassend einen plattenförmigen, elektrisch leitfähigen Festkörper (1) mit einer ersten Oberfläche (1a), welche zur Herstellung des elektrischen Kontakts mit einem Elektrolyten (21) der Brennstoffzelle (2) ausgebildet ist, und mit einer zweiten Oberfläche (1b), welche zur Herstellung des elektrischen Kontakts mit einer die Brennstoffzelle begrenzenden Platte (23) ausgebildet ist, wobei diese zweite Oberfläche (1b) Aussparungen (1c) aufweist, die dazu ausgebildet sind, mit der die Brennstoffzelle (2) begrenzenden Platte (23) zusammenzuwirken und eine Verteilerstruktur (24) für ein Betriebsmedium, und/oder für ein Produkt, der Brennstoffzelle (2) zu bilden, wobei der Festkörper (1) eine offene, für das Betriebsmedium, bzw. für das Produkt, durchgängige Porosität aufweist.
  2. Elektrode (11) nach Anspruch 1, wobei der Festkörper (1) bei einer Flächenbelastung von 150 N/cm2 um nicht mehr als 10 % in seiner Dicke komprimierbar ist.
  3. Elektrode (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Aussparungen (1c) Nuten mit einer Breite zwischen 100 µm und 2 mm, bevorzugt zwischen 200 µm und 1,5 mm, umfassen.
  4. Elektrode (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Aussparungen (1c) Nuten mit einer Tiefe zwischen 100 µm und 500 µm, bevorzugt zwischen 200 µm und 300 µm, umfassen.
  5. Elektrode (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Festkörper (1) zwischen 200 µm und 600 µm dick ist.
  6. Elektrode (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Aussparungen (1c) Nuten mit kreisrundem oder elliptischem Querschnitt umfassen.
  7. Elektrode (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Festkörper (1) als Festkörperverbund aus elektrisch leitfähigen Partikeln (12, 12a, 12b) ausgebildet ist.
  8. Elektrode (11) nach Anspruch 7, wobei die mittlere Größe der Partikel (12, 12a, 12b) im Bereich der ersten Oberfläche (1a) geringer ist als im Bereich der zweiten Oberfläche (1b).
  9. Elektrode (11) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei der Festkörperverbund ein Gemisch aus den elektrisch leitfähigen Partikeln (12, 12a, 12b) und einem amorphen Binder umfasst.
  10. Elektrode (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, zumindest teilweise hergestellt durch schichtweisen Aufbau mittels 3D-Druck.
  11. Halbzeug (4) für die Fertigung einer Brennstoffzelle (2) oder eines Brennstoffzellenstapels (3), umfassend eine Endplatte oder Bipolarplatte (23) für die Brennstoffzelle (2), bzw. den Brennstoffzellenstapel (3), wobei die Endplatte oder Bipolarplatte (23) mindestens eine ebene Oberfläche (23a, 23b) aufweist mit einem zentralen Bereich (23c), in dem eine Elektrode (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufgebracht ist, und einem den zentralen Bereich (23c) umlaufenden, von der Elektrode (11) unbelegten Randbereich (23d).
  12. Halbzeug (5) für die Fertigung einer Brennstoffzelle (2) oder eines Brennstoffzellenstapels (3), umfassend eine Membran-Elektroden-Einheit (20) mit einem membranförmigen Elektrolyt (21), welcher zwischen zwei feste mikroporöse Schichten (22a, 22b) eingefasst ist, wobei auf der dem Elektrolyt (21) abgewandten Seite mindestens einer der mikroporösen Schichten (22a, 22b) eine Elektrode (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufgebracht ist.
  13. Halbzeug nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Elektrode (11) auf die Endplatte oder Bipolarplatte, bzw. auf die mikroporöse Schicht (22a, 22b), aufgedruckt oder auflaminiert ist.
DE102018212498.1A 2018-07-26 2018-07-26 Elektrode für eine Brennstoffzelle oder einen Stapel von Brennstoffzellen Withdrawn DE102018212498A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018212498.1A DE102018212498A1 (de) 2018-07-26 2018-07-26 Elektrode für eine Brennstoffzelle oder einen Stapel von Brennstoffzellen

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018212498.1A DE102018212498A1 (de) 2018-07-26 2018-07-26 Elektrode für eine Brennstoffzelle oder einen Stapel von Brennstoffzellen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102018212498A1 true DE102018212498A1 (de) 2020-01-30

Family

ID=69149134

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102018212498.1A Withdrawn DE102018212498A1 (de) 2018-07-26 2018-07-26 Elektrode für eine Brennstoffzelle oder einen Stapel von Brennstoffzellen

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102018212498A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116505012A (zh) * 2023-06-27 2023-07-28 贵州大学 一种液冷型质子交换膜燃料电池

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10158848A1 (de) * 2001-10-15 2003-04-30 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Elektrochemische Elektrode und Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Elektrode
US20070054175A1 (en) * 2005-09-06 2007-03-08 Sgl Carbon Ag Electrode and composite structural unit for a fuel cell and fuel cell having the electrode or the structural unit
US20120021329A1 (en) * 2009-09-01 2012-01-26 Masaki Yamauchi Membrane electrode assembly and method of manufacturing the same, as well as fuel cell

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10158848A1 (de) * 2001-10-15 2003-04-30 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Elektrochemische Elektrode und Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Elektrode
US20070054175A1 (en) * 2005-09-06 2007-03-08 Sgl Carbon Ag Electrode and composite structural unit for a fuel cell and fuel cell having the electrode or the structural unit
US20120021329A1 (en) * 2009-09-01 2012-01-26 Masaki Yamauchi Membrane electrode assembly and method of manufacturing the same, as well as fuel cell

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116505012A (zh) * 2023-06-27 2023-07-28 贵州大学 一种液冷型质子交换膜燃料电池
CN116505012B (zh) * 2023-06-27 2023-09-29 贵州大学 一种液冷型质子交换膜燃料电池

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0815609B1 (de) Zusammenfassung von einzelzellen zu einer membranelektroden-einheit und deren verwendung
EP3378117B1 (de) Bipolarplatte mit asymmetrischen dichtungsabschnitten, sowie brennstoffzellenstapel mit einer solchen
CH636987A5 (de) Brennstoffzellenanlage.
DE19539959C2 (de) Brennstoffzellenanordnung
EP3884535B1 (de) Brennstoffzellenplatte, bipolarplatte und brennstoffzellenvorrichtung
EP3140434A1 (de) Gasdiffusionsschicht, elektrochemische zelle mit einer solchen gasdiffusionsschicht sowie elektrolyseur
DE112008002218T5 (de) Brennstoffeinzelzelle
EP1440489A1 (de) Mikrobrennstoffzellensystem
DE102019129470A1 (de) Elektrode und Herstellungsverfahren dafür
DE102021117722A1 (de) Elektrode
DE102018212498A1 (de) Elektrode für eine Brennstoffzelle oder einen Stapel von Brennstoffzellen
DE202013012667U1 (de) Zelle, Zellenstapeleinheit, elektrochemisches Modul und elektrochemisches Gerät
DE10233982B4 (de) Bipolare Platte für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel
WO2014206600A1 (de) Elektrode für einen elektrochemischen energiespeicher
DE102014008742A1 (de) Separator für einen elektrochemischen Speicher, Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenmaterials sowie elektrochemischer Energiespeicher
DE19821976C2 (de) Brennstoffzelle
WO2021198137A1 (de) Verfahren zur herstellung einer gas- und/oder elektronenleitungsstruktur und brennstoff-/elektrolysezelle
WO2017025557A1 (de) Membran-elektroden-einheit für eine brennstoffzelle sowie brennstoffzelle
DE102018219065A1 (de) Elektrodenmaterial und Elektrode zur Betriebsmittelverteilung in einer Brennstoffzelle
WO2008025572A1 (de) Brennstoffzellenanordnung
DE102018213154A1 (de) Befeuchter, Brennstoffzellenvorrichtung mit Befeuchter und Kraftfahrzeug
DE102018213772A1 (de) Schichtsystem für eine Brennstoffzelle
DE102022105852A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine elektrochemische Zelle, Kompositelektrode und elektrochemische Zelle
DE102021214824A1 (de) Medienverteilerstruktur, Bipolarplatte und elektrochemische Zelle
DE102021105017A1 (de) Elektrochemische Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee