DE102019200617A1

DE102019200617A1 - Gasverteilerstrukturen für Brennstoffzellen und Elektrolyseure

Info

Publication number: DE102019200617A1
Application number: DE102019200617.5A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Berner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-01-18
Filing date: 2019-01-18
Publication date: 2020-07-23
Also published as: CN111463448A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasverteilerstruktur (14) für eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur, insbesondere einer PEM-Brennstoffzelle (10) mit einem Gewebe (80) zum Verteilen eines Reaktanten, wobei das Gewebe (80) zumindest zwei voneinander verschiedene Fasern (81, 82, 83) aufweist. Die zumindest zwei voneinander verschiedenen Fasern (81, 82, 83) des Gewebes(80) sind als sich in vertikale oder horizontale Richtung erstreckenden Drähte (90, 92) aus einem Trägermaterial (104, 106) ausgeführt, welches mit einer Beschichtung (100) oder einer Mehrfachbeschichtung (113) aus einem Funktionsmaterial (108, 110, 112) versehen ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasverteilerstruktur, die insbesondere für Brennstoffzellen und Elektrolyseure geeignet ist, sowie auf deren Verwendung.
Stand der Technik
Bei einer Brennstoffzelle handelt es sich um eine galvanische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umwandelt. Eine Brennstoffzelle ist demnach ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) in Wasser (H₂O) elektrische Energie und Wärme umgewandelt. Ein Elektrolyseur ist ein elektrochemischer Energiewandler, welcher Wasser (H₂O) mittels elektrischer Energie in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) spaltet.
Unter anderem sind Protonenaustauschmembranen (Proton-Exchange-Membran = PEM) -Brennstoffzellen bekannt. Weiterhin bekannt sind Anionen-Austausch-Membranen sowohl für Brennstoffzellen als auch für Elektrolyseure. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also für Wasserstoffionen, leitfähig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen ferner eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran zu der Kathode. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode. Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und es reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen, die durch die Membran zur Kathode gelangt sind, zu Wasser. Das auf diese Weise entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet: O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O
Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
Zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffes an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode sind Bipolarplatten vorgesehen. Die Bipolarplatten weisen beispielsweise kanalartige Strukturen zur Verteilung des Brennstoffes sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Die kanalartigen Strukturen dienen ferner zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers. Die Bipolarplatten können ferner Strukturen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung der Wärme aufweisen.
Aus DE 10 2012 221 730 A1 ist eine Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte bekannt, welche aus zwei Plattenhälften aufgebaut ist. Dabei weist jede der beiden Plattenhälften ein Verteilbereich auf, welcher zur Verteilung der Reaktionsgase vorgesehen ist.
DE 10 2014 207 594 A1 zeigt eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle. Die Bipolarplatte weist dabei einen mäanderförmigen Kanal auf, welcher beispielsweise als Nut ausgebildet ist. Dieser mäanderförmige Kanal dient dabei zur Einleitung von Wasserstoff oder Sauerstoff in die Brennstoffzelle.
Im Unterschied zu einer PEM-Brennstoffzelle, welche bei einer Betriebstemperatur ≤ 120°C betrieben wird, sind Elektrolyseure ohne einen Kühlkanal ausgestattet. Eine Stapel- bzw. eine Wiederholungseinheit dieses Aufbaus bildet einen Stack. Die Edukte H₂ und O₂ in Luft bzw. in Wasser sowie in der Kühlflüssigkeit werden über eine Medienverteilerstruktur in die Zelle geleitet. Diese Verteilerstruktur kann beispielsweise als Kanal oder auch als eine elektrisch leitfähige poröse Schicht realisiert werden.
Die Funktionen von Gasverteilerstrukturen auf der Anoden- und der Kathodenseite sind die folgenden:

- Reaktionsgas oder Eduktwasser soll gleichmäßig über die aktive Fläche verteilt werden,
- die Elektronen sollen in die nächste Zelle übergeleitet werden,
- Flüssigwasser bzw. Wasserdampf als Reaktionsprodukte sowie Produktgase sollen aus der Zelle heraustransportiert werden und
- entstehende Wärme aus der Katalysatorschicht soll zum Kühlmittel abgeleitet werden.

Gemäß aktuellem Standes der Technik werden geprägte metallische Bleche als Gasverteilerstrukturen eingesetzt. Dadurch entsteht eine Steg-Kanalstruktur. Bei Brennstoffzellen werden durch die Kanalstruktur die Reaktionsgase über die elektrochemisch aktive Fläche verteilt. Unterhalb der Stege liegt jedoch ein limitierter Gasfluss vor. Nach einer Vielzahl von Literaturquellen kann sich auf der Luftseite unter diesen Stegen flüssiges Produktwasser ansammeln, welches den Gastransport zur Katalysatorschicht behindert. Dadurch wird der O₂-Transport hin zur Katalysatorschicht lokal stark gehemmt, sodass die Leistung der Brennstoffzelle lokal einbricht, was zur Folge hat, dass sich die Gesamtperformance der gesamten Brennstoffzelle verschlechtert.
Kanalstrukturen stellen eine Alternative zu offenporösen Schäumen. Diese Schäume weisen Porositäten ≥ 90 % auf. Stege innerhalb des Schaumes weisen eine Dicke von wenigen µm auf. Darunter sammelt sich nicht nennenswert Flüssigwasser an. Derartige Schäume ermöglichen somit einen optimierten Abtransport des Reaktionsproduktes Flüssigwasser. Folglich können mit Schaumstrukturen höhere Stromdichten (= größere Mengen an Produktwasser) und damit bessere Leistungsdichten erzielt werden, verglichen mit Kanalstrukturen. Jedoch sind die Schäume in der Herstellung relativ teuer und die Porenstruktur ist willkürlich, denn es kann keine gerichtete Struktur vorgegeben werden. Aus diesen Gründen weisen die Schäume einen im Vergleich zum Kanal hohen Druckverlust auf. Dies wiederum führt zu erhöhten Anforderungen an den Luftkompressor, der Luft in die Zelle presst.
Anstelle von Schäumen können auch Fäden oder Drähte aus Kunststoff, Metall, Kohlenstofffasern oder ähnlichem Material eingesetzt werden, die mithilfe von Webapparaten manuell oder maschinell zu Geweben verbunden werden. Die dafür verwendeten Maschinen stammen meist aus der Textilindustrie, könnten aber durch einfache Modifikation an die oben stehend genannten nicht-textilMaterialien angepasst werden. Diese Gewebe finden in unterschiedlichsten Bereichen Anwendung. Gewebe aus Metall werden beispielsweise als Filter genutzt. Die normalerweise flachen, annähernd 2-dimensionalen Strukturen können für einige Materialien zu 3-dimensionalen Netzen erweitert werden. Dadurch ergibt sich zusätzlich zur orthogonalen Filterrichtung eine Filterebene im Gewebe selbst. Porengröße und Porosität dieser Gewebestrukturen kann in einem weiten Bereich variiert werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Gasverteilerstruktur vorgeschlagen für eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle, mit einem Gewebe zum Verteilen eines Reaktanten, wobei das Gewebe zumindest zwei voneinander verschiedene Fasern aufweist. Die zumindest zwei voneinander verschiedenen Fasern des Gewebes sind als sich in vertikaler oder horizontaler Richtung erstreckende Drähte oder Bänder aus einem Trägermaterial ausgeführt, welches auf einer Oberfläche mit einer Beschichtung oder einer Mehrfachbeschichtung eines Funktionsmaterials versehen sind. Durch das Beschichtungsmaterial besteht die Möglichkeit, preisgünstigere Materialien, wie beispielsweise Kunststoffmaterial oder Stahl anstelle von Edelstahl einzusetzen und deren Eigenschaften durch geeignete Auswahl des entsprechenden Beschichtungsmateriales eine elektrische Leitfähigkeit des Gewebes quer zur Fluidströmungsrichtung, die Korrosionsbeständigkeit, die mechanische Stabilität, den Wasseraustrag und die Fertigungskosten günstig zu beeinflussen. So lässt sich beispielsweise der Einsatz teuren korrosionsfesten Edelstahles vermeiden, wenn beispielsweise ein Trägermaterial wie Stahl oder Kunststoff mit einer entsprechenden Beschichtung versehen ist.
In Weiterführung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann die Beschichtung als Einfachbeschichtung oder Mehrfachbeschichtung ausgeführt sein und beispielsweise aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt werden.
Als elektrisch leitendes Material, zur Einfach- oder Mehrfachbeschichtung, können beispielsweise Materialien wie Titan, Kunststoff oder Edelstahl eingesetzt werden. Neben den bevorzugt eingesetzten Materialien Titan und Edelstahl sind edle Elemente Au, Pd und Platin ebenfalls einsetzbar. Des Weiteren sind elektrisch leitende Polymere oder kohlenstoffbasierte Beschichtungen, wie beispielsweise Graphit möglich, beispielsweise Beschichtungen aus diamond-like Carbon. Für den Fall, dass die Beschichtung oder die Mehrfachbeschichtung aus Titan, Kohlenstoff oder Edelstahl ausgeführt werden kann, kann das Trägermaterial aus einem relativ preiswerten Material wie Kunststoff oder Stahl ausgewählt werden.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung weiter folgend, dient die Beschichtung, sei es eine Einfach- oder Mehrfachbeschichtung, als Korrosionsschutz für das Trägermaterial, welches beispielsweise auch ein Material mit höherer mechanischer Festigkeit sein kann. Das Trägermaterial mit höherer mechanischer Festigkeit kann beispielsweise martensitischer Stahl sein. Neben martensitischem Stahl können auch andere weniger korrosionsresistente, insbesondere optional hochlegierte Edelstähle eingesetzt werden.
Andererseits kann die Beschichtung, sei sie als Einfachbeschichtung oder als Mehrfachbeschichtung ausgebildet, auch aus einem nichtleitendem Material wie beispielsweise PTFE bestehen.
In vorteilhafter Weise kann bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gasverteilerstruktur diese so ausgebildet werden, dass Kontaktpunkte des Gewebes zu einer Bipolarplatte eines Brennstoffzellenstapels frei von dem nichtleitenden Material sind und/oder an den Kontaktpunkten mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet sind. Dazu können die Kontaktpunkte mit einer Mehrfachbeschichtung versehen werden, bei denen selektiv nur an den Kontaktpunkten die Schicht aus nichtleitendem Material entfernt wird, so dass an den Kontaktpunkten elektrische Leitfähigkeit gegeben ist.
In einer Ausführungsvariante kann beispielsweise die erfindungsgemäß vorgeschlagene Gasverteilerstruktur nur einseitig, d.h. entweder nur auf der Vorderseite oder nur auf der Rückseite mit einer Beschichtung, sei sie als Einfachbeschichtung beschaffen oder als Mehrfachbeschichtung ausgeführt sein, versehen sein.
Die Gasverteilerstruktur kann auch so beschaffen sein, dass beispielsweise ein erster Teil des Gewebes mit einem nichtleitenden Material oder einem elektrisch leitenden Material versehen ist, während ein zweiter, beispielsweise darunterliegender Teil des Gewebes mit einem von diesem Material verschiedenen Material beschichtet sein kann. In vorteilhafter Weise kann die Gasverteilerstruktur bzw. das Gewebe so beschaffen sein, dass die Mehrfachbeschichtung als örtlich variierte Mehrfachbeschichtung ausgeführt ist. Die örtlich variierte Mehrfachbeschichtung kann beispielsweise an dem Trägermaterial des als Gasverteilerstruktur dienenden Gewebes derart ausgebildet sein, dass am Gewebe, welches beispielsweise in Wellenform ausgeführt sein kann, im Bereich der Wellenberge eine Beschichtung, die einen geringeren elektrischen Übergangswiderstand bietet, beispielsweise ein leitendes Material wie Gold ausgeführt ist, während beispielweise in den Wellentälern zwischen den einzelnen Wellenbergen des Gewebes eine andere Beschichtung aus einem eher korrosionsresistenten Material gefertigt ist, welches einen geringeren elektrischen Übergangswiderstand bietet, beispielsweise eine Kohlenstoff-basierte Beschichtung . So bildet beispielsweise ein jeder Wellenberg des als Gasverteilerstruktur dienenden Gewebes eine erste Kontaktstelle mit einem angrenzenden metallischen Blech, während ein jedes der Wellentäler des als Gasverteilerstruktur dienenden Gewebes eine zweite Kontaktstelle zu einer angrenzenden Membranschicht bzw. GDL's (gas diffusion layer) bildet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann beispielsweise über die Eingangsseite und die Ausgangsseite einer Brennstoffzelle gesehen, im Ausgangsbereich der Brennstoffzelle, so zum Beispiel in einem Bereich vor den ausgangsseitig angeordneten zweiten Ports, eine aktive Fläche vorgesehen sein, welche mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gewebe versehen ist, bevorzugt korrosionsresistent oder gezielt hydrophil/hydrophob beschichtet, da in diesem Bereich am ehesten mit Produktwasser zu rechnen ist. Dem Auftreten des Produktwassers in diesem Bereich wird dadurch Rechnung getragen, dass hier eine Beschichtung aus korrosionsresistentem Material vorgesehen wird, so dass auftretendes Produktwasser kein Problem darstellt. Durch die unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien, die an den Kontaktstellen zu einem metallischen Blech einerseits und zur Membran bzw. GDL andererseits, am erfindungsgemäß als Verteilerstruktur dienenden Gewebe vorgesehen sind, können die elektrischen Übergangswiderstände optimiert sowie der Wasseraustrag erheblich verbessert werden. Im Wesentlichen wird das Gewebe, welches in verformtem Zustand zum Beispiel die erwähnte Wellenstruktur aufweist, im Bereich der Wellenstruktur vom Fluid durchströmt, während senkrecht dazu, d.h. senkrecht zur Fluidströmungsrichtung die Stromtransportrichtung durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene als Gasverteilerstruktur dienende Gewebe ausgeführt ist.
Schließlich wird erfindungsgemäß eine Verwendung der Gasverteilerstruktur vorgeschlagen für eine PEM-Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur.
Vorteile der Erfindung
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Gasverteilerstruktur kann der Einsatz von teurem korrosionsfesten Edelstahles vermieden oder wesentlich verringert werden, da die entsprechenden Eigenschaften hinsichtlich einer Korrosionsbeständigkeit oder einer verbesserten elektrischen Leitfähigkeit durch die ausgewählten Materialien für die jeweiligen Beschichtungen auf die Drähte oder Bänder appliziert werden. Auch können gezielt die elektrische Leitfähigkeit quer zur Fluidströmung, Korrosionsbeständigkeit oder auch die mechanische Stabilität beispielsweise beim Einsatz martensitischer Stähle und dergleichen verbessert werden. Andererseits kann durch geeignete Beschichtungsauswahl oder ein größeres Raster hinsichtlich eines grobmaschigeren Gewebes oder eines feineren Gewebes der Druckverlust des Fluides beeinflusst werden, ebenso wie der Wasseraustrag verbessert werden kann. Nicht zuletzt kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Gasverteilerstruktur eine Reduzierung der Fertigungskosten hergestellt werden, da nunmehr auf den Einsatz teuren korrosionsfesten Edelstahles verzichtet werden kann und die Korrosionsbeständigkeit einzig und allein durch die Beschichtung gegeben ist.
Auch eine Beschichtung aus einem elektrisch nichtleitenden und einem elektrisch leitenden Material wird per se als Schutz gegen Korrosion für gasbeschichtete Trägermaterial, sei es Kunststoff, sei es Stahl oder sei es ein Material mit verbesserten elektrischen Eigenschaften, wie beispielsweise Kupfer oder dergleichen.
Hinsichtlich der Fertigung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gasverteilerstruktur kann die Beschichtung sowohl vor der Herstellung des Gewebes als auch danach erfolgen. Wird die Beschichtung nach der Herstellung des Gewebes aufgebracht, so können beispielsweise auch graduelle Schichtänderungen ermöglicht werden, wie beispielsweise nur eine einseitige Beschichtung des als Gasverteilerstruktur fungierenden Gewebes, entweder nur auf der Vorderseite oder nur auf der Rückseite. Des Weiteren können Teile des Gewebes mit unterschiedlichen Beschichtungen je nach Funktionalität versehen werden, beispielsweise um den Wasseraustrag zu steuern und zu beeinflussen.
Wird eine leitfähige Beschichtung nach der Herstellung des Gewebes vorgenommen, so ergeben sich zusätzliche Vorteile dahingehend, dass an den Kreuzungspunkten im Gewebe, d.h. wo sich horizontal und vertikal angeordnete Drähte kreuzen, in vorteilhafter Weise Übergangswiderstände von Metalldraht zu Metalldraht vermeiden lassen, da hier durch eine Beschichtung eine stoffliche elektrische Verbindung geschaffen werden kann. Die hergestellte stoffliche Verbindung kann beispielsweise durch eine nachgelagerte, thermische Behandlung verbessert werden. So kann beispielsweise ein preiswertes Drahtgewebe aus Stahl mit einer dünnen Beschichtung, zum Beispiel mit einem Hartlotmaterial versehen werden. Bei einer thermischen Behandlung schmilzt das Lot und bildet eine stoffliche Verbindung, die in einem zweiten Schritt mit einer korrosionsresistenten Beschichtung versehen werden kann.
Wird bei einer Einzeldrahtbeschichtung, d.h. vor der Herstellung des Gewebes der Beschichtungsprozess vorgenommen, kann durch eine geeignete Auswahl der Beschichtungsmaterialien der Übergangswiderstand minimiert werden, beispielsweise bei Kohlenstoffbeschichtungen.
Figurenliste
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben:
Es zeigt:

1 eine Prinzipsskizze einer Brennstoffzelle,
2 ein geprägtes Blech mit einer Kanalstruktur,
3 geprägte Gewebe mit aus Fasern mit unterschiedlicher Funktionsbeschichtung in 3-D Darstellung,
4 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus von Brennstoffzellen,
5 eine 3-D-Darstellung des Schichtaufbaus gemäß 5,
6 eine Frontansicht eines mehrfach beschichteten Gewebes als Gasverteilerstruktur und
7 eine Draufsicht auf die Kathodenseite (Luftseite) einer Brennstoffzelle mit eingangs- und ausgangsseitigen Ports.

Ausführungsvarianten
Der Darstellung gemäß 1 ist eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle 10 zu entnehmen.
1 zeigt eine PEM-Brennstoffzelle 10 in schematischer Darstellung. Der in 1 dargestellte Brennstoffzellenstapel 12 umfasst Gasverteilerstrukturen 14 und 23 sowie eine Wasserverteilstruktur 19, die im Ausführungsbeispiel gemäß 1 als Kühlkanal 19 beschaffen sind. Die oberste Struktur 19 (Kühlkanal) wird von einem Kühlmedium 18 durchströmt, beispielsweise Kühlfluid, eine darunterliegende Gasverteilerstruktur 23 wird von einem Gasstrom aus optional befeuchtetem H₂, vergleiche Position 20 durchströmt. Die zuunterst liegende der Strukturen 14 wird von optional feuchter Luft 22 durchströmt. Beidseits einer Membranschicht 26 befinden sich Katalysatorschichten 16, 24 mit einer Porenstruktur, sowie Gasdiffusionslagen 27 aus Kohlenstofffasern.
2 zeigt geprägte metallische Bleche mit einer Kanalstruktur.
Aus der Darstellung gemäß 2 gehen geprägte, metallische Bleche 40 hervor, welche eine Kanalstruktur 50bilden. Einzelne Kanäle 70, die in Wannenform 72 ausgebildet sind, sind durch in Längsrichtung verlaufende Wände 60 voneinander getrennt. Die Kanäle 70 sind in Wannenform 72 ausgebildet und umfassen einen Wannenboden 73 sowie geneigt verlaufende Wände60. Flüssiges Wasser ist durch Bezugszeichen 75 bezeichnet, und sammelt sich unterhalb der Kanalstrukturen 50 an, siehe Position 75. Durch die Kanalstruktur 50 werden die Reaktionsgase über die elektrochemisch aktive Fläche der Brennstoffzelle 10 gemäß der Darstellung in 1 verteilt.
Bezugszeichen 27 bezeichnet eine Gasdiffusionslage, die sich oberhalb der Membranschicht 26 befindet.
3 zeigt ein Gewebe 80 in 3-dimensionaler Darstellung. Das Gewebe 80 weist beispielsweise mehrere, Metall enthaltende Fasern 81, Kohlenstoff enthaltende Fasern 82 oder auch Kunststoff enthaltende Fasern 83 auf. In der Darstellung gemäß 3 verlaufen im jn 3-dimensionaler Darstellung dargestellten Gewebe 80 sind die Faser 81, 82, 83 entweder als sich vertikal erstreckende Drähte 90 oder horizontal verlaufende Drähte 92 ausgebildet und stellen eine Gitterstruktur dar. Zudem ist in 3 eine Fluidströmungsrichtung 96 und eine Stromtransportrichtung 98 dargestellt, die in Bezug aufeinander senkrecht verlaufen.
4 zeigt eine 3-D Darstellung des Gewebes 80 mit eingezeichneter Fluidströmungsrichtung 96 sowie Stromtransportrichtung 98 nach dem Verprägen zu einer Kanalstruktur 50. Das Gewebe 80 gemäß der 3-D Darstellung in 3 hat ein wellenartiges Aussehen, wodurch eine größere Oberfläche geschaffen wird, ferner wird die Gasverteilung und der Druckverlust günstig beeinflusst. Das Gewebe 80 ist durch sich in vertikale Richtung erstreckende Drähte 90 und senkrecht dazu orientierte, sich in horizontale Richtung erstreckende Drähte 92 gebildet. An deren Enden befinden sich Kontaktpunkte, die beispielsweise der Kontaktierung des als Gasverteilerstruktur dienenden Gewebes 80 mit einer Bipolarplatte der PEM-Brennstoffzelle 10 dienen.
4 zeigt eine Darstellung des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus von Brennstoffzellen, insbesondere PEM-Brennstoffzellen.
Wie aus 4 hervorgeht, befinden sich zwischen den Membranschichten 26 mit den GDLs 27 jeweils erste geprägte metallische Bleche 40, und zweite ebene Bleche 42. Zwischen der jeweils folgenden Membranschicht 26 und den zweiten ebenen Blechen 42 befindet sich das Gewebe 80 in wellenförmig geprägter Ausführung. Dieses umfasst durch die Prägung sich in vertikale Richtung erstreckende Drähte 90 und sich rechtwinklig zu diesen erstreckende, d.h. horizontal erstreckende Drähte 92.
Die Stromtransportrichtung 98 erstreckt sich in vertikale Richtung, während die Fluidströmungsrichtung mit Bezugszeichen 96 gekennzeichnet ist und sich in die Zeichenebene gemäß 5 erstreckt. In den einzelnen Kammern, die durch das erste geprägte metallische Blech 40 gebildet werden, strömen beispielsweise abwechselnd gasförmiges H₂ und flüssiges Wasser.
Wie aus der Darstellung gemäß 4 weiter hervorgeht, hat das Gewebe 80 ein im Wesentlichen wellenförmiges Aussehen. An den jeweiligen Wellenbergen des Gewebes 80 und an den jeweiligen Wellentälern des Gewebes 80, sind erste Kontaktstellen 44 zum zweiten ebenen Blech 42 einerseits dargestellt und an den Wellentälern des in Wellenform ausgebildeten Gewebes 80 zweite Kontaktstellen 46 zur angrenzenden Membranschicht 26. Innerhalb der jeweiligen Kontaktstellen 44 bzw. 46 des Gewebes 80 kann dieses mit Beschichtungen 100 versehen sein, vergleiche Darstellung gemäß 6. Durch die jeweiligen Beschichtungen 100, bei denen es sich beispielsweise um Beschichtungen aus elektrisch leitendem Material 108, korrosionsresistenten Material oder auch um nicht leitendes Material 112 handeln kann, können die elektrischen Übergangswiderstände an den ersten und zweiten Kontaktstellen 44 bzw. 46 optimiert werden.
5 zeigt eine 3-D-Darstellung des Gewebes, welches gemäß 4 in zweidimensionaler Darstellung, nämlich in einer Frontansicht von vorne dargestellt ist.
Aus 5 geht hervor, dass das in Wellenform konfigurierte Gewebe 80 in X-Richtung von Fluiden entsprechend der Strömungsrichtung 96 durchströmt ist. Senkrecht zur X-Richtung erfolgt ein Stromtransport in Z-Richtung entsprechend der Stromtransportrichtung 98, senkrecht zur Fluidströmungsrichtung 96 gemäß der Darstellung in 5. Aus Gründen der Vereinfachung ist in dem in Wellenform beschaffenen Gewebe 80 eine Darstellung der sich in vertikale Richtung erstreckenden Drähte 90 bzw. der sich in horizontale Richtung erstreckenden Drähte 92 unterblieben. Analog zur Darstellung gemäß 3 ist in 5 eine dreidimensionale Verformung des Gewebes 80 dargestellt, welches in der dreidimensionalen Darstellung eine Wellenform bildet, Berge und Täler umfassend. Eine Gitterstruktur des Gewebes 80 ist durch die Metall enthaltenden Fasern 81 oder Kohlenstoff enthaltenden Fasern 82 oder auch Kunststoff enthaltende Fasern 83 gegeben. Diese sind in der Ausprägung des Gewebes 80 gemäß der dreidimensionalen Darstellung in 5 als sich vertikal erstreckende Drähte 90 bzw. senkrecht dazu verlaufende, sich horizontal erstreckende Drähte 92 ausgeführt. Auch in der Darstellung gemäß 5 stehen die Fluidströmungsrichtung 96 und die Stromtransportrichtung 98 in Bezug zueinander senkrecht, d. h. sie schließen einen rechten Winkel ein.
6 zeigt eine Frontansicht eines mehrfach beschichteten Gewebes.
Die in 6 von der Vorderseite her dargestellte Ansicht zeigt das in Wellenform verformte Gewebe 80, welches aus einem zu beschichtenden Material 104 gebildet ist. Bei dem zu beschichtenden Material 104 kann es sich um sich in vertikale Richtung erstreckende Drähte 90 bzw. um sich in horizontale Richtung erstreckenden Drähte 92 handeln. Die in 6 in der Vorderansicht dargestellte Struktur umfasst das zweite ebene Blech 42 und auf der gegenüberliegenden Seite die Membranschicht 26, die auch als GDL (gas diffusion layer) bezeichnet wird.
Als zu beschichtendes Material 104 können aber auch Metalle mit einer verbesserten elektrischen Leitfähigkeit per se wie beispielsweise Kupfer eingesetzt werden. Durch den Korrosionsschutz den die Beschichtung 100 darstellt, lassen sich auch andere Werkstoffe mit einer höheren mechanischen Festigkeit als Träger 106 verwenden, so zum Beispiel kann die mechanische Stabilität bei Einsatz eines martensitischen Stahls als Träger 106 verbessert werden. Eine höhere mechanische Festigkeit der Drähte 90, 92 bzw. der flachen Bänder 94, ermöglicht eine grobmaschige Fertigung der Gewebe 80 bzw. eine feinmaschigere Ausführung jeweils abhängig von der elektrischen Leitfähigkeit.
Umgekehrt kann die Beschichtung 100 bzw. die Mehrfachbeschichtung 113 aus einem nichtleitenden Material 112 gefertigt werden, welches dafür besonders korrosionsstabil ist, beispielsweise sei PTFE genannt. Dadurch wird ein Wasseraustrag aus der PEM-Brennstoffzelle 10 verbessert, was von den hydrophilen bzw. hydrophoben Eigenschaften der Beschichtung 100 bzw. der Mehrfachbeschichtung 113 abhängt.
Kontaktpunkte der Gewebe 80 können bei der Beschichtung mit einem elektrisch nichtleitenden Material 112 dadurch elektrisch leitend gemacht werden, dass das elektrisch nichtleitende Material 112 an den entsprechenden Kontaktpunkten entfernt wird. Dies kann beispielsweise durch ein einfaches selektives Entfernen der Beschichtung 100 an den Kontaktpunkten, beispielsweise bei Einsatz von Polymeren durch Wärme, oder durch eine dortige Beschichtung 100 aus elektrisch leitendem Material 108 erfolgen. Des Weiteren ist denkbar, im Bereich der Kontaktpunkte eine Mehrfachbeschichtung 113 aufzubringen, so dass nach Entfernung der Beschichtungsschicht aus nichtleitendem Material 112 das elektrisch leitende Material 108 frei zugängig ist.
Die Beschichtung 100, sei es eine Einfachbeschichtung, sei es eine Mehrfachbeschichtung 113, kann sowohl vor der Herstellung des Gewebes 80 als auch danach erfolgen. Erfolgt die Beschichtung nach der Herstellung des Gewebes 80, können auch graduelle Schichtänderungen der Beschichtung erfolgen, beispielsweise nur eine einseitige Beschichtung des Gewebes 80 auf dessen Vorderseite oder auf dessen Rückseite. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, das Gewebe 80 in einem ersten Teil (obenliegend) mit einer Beschichtung aus elektrisch leitendem Material 108, einem korrosionsfesten Material 110 und einem elektrisch nichtleitenden Material 112 vorzunehmen und das Gewebe 80 in einem zweiten Teil (untenliegend) mit einer davon verschiedenen Beschichtung 100 zu versehen, beispielsweise, um im unteren Bereich den Wasseraustrag zu steuern.
An den ersten Kontaktstellen 44 sowie an den zweiten Kontaktstellen 46 ist das Gewebe 80 mit einer Beschichtung 100 versehen. Die Beschichtung 100 ist jeweils auf der Oberfläche 102 des zu beschichtenden Materials 104 und zwar auf derjenigen Seite aufgebracht, die an einer ersten Kontaktstelle 44 dem zweiten ebenen Blech 42 zuweist und an den zweiten Kontaktstellen 46, die der dieser gegenüberliegenden Membranschicht 26 zuweist. Aus 7 geht hervor, dass im Bereich der ersten Kontaktstellen 44 an der Oberfläche 102 das elektrisch leitende Material 108 vorgesehen ist, während im Bereich der Wellentäler des Gewebes 80 im Bereich der zweiten Kontaktstellen 46 die Beschichtung 100 aus korrosionsresistentem Material 110 vorgesehen ist. Das elektrisch leitende Material 108 im Bereich der ersten Kontaktstellen 44 reduziert den Übergangswiderstand des metallischen Materials der zweiten ebenen Bleche 42; bei dem elektrisch leitenden Material 108 handelt es sich bevorzugt um ein metallisches Material. Die im Bereich der Wellentäler des Gewebes 80 aufgebrachte Beschichtung 100 an der Oberfläche 102 des zu beschichtenden Materiales 104 ist beispielsweise ein korrosionsresistentes Material 110 und hat die Aufgabe, einen geringen elektrischen Übergangswiderstand darzustellen. Bei diesem korrosionsresistenten Material 110 handelt es sich beispielsweise um Kohlenstoffpapier.
Auch bei der in 6 dargestellten Struktur verläuft die Stromtransportrichtung 98 entgegen der Richtung der Z-Achse, während die Fluidströmungsrichtung 96 mit der X-Achse zusammenfällt, die sich in der Darstellung gemäß 7 in die Zeichenebene erstreckt.
Aus der Darstellung gemäß 6 geht hervor, dass das dort dargestellte Gewebe 80 zwischen dem zweiten ebenen Blech 42 einerseits und der Membranschicht 26 andererseits eine Mehrfachbeschichtung 113 aufweist, die aus unterschiedlichen Materialien, in diesem Beispiel elektrisch leitende Material 108 und korrosionsresistentem Material 110 an den ersten Kontaktstellen 44, bzw. den zweiten Kontaktstellen 46 beschaffen sein kann. Durch die Mehrfachbeschichtung 113 werden unterschiedliche Funktionalitäten am Gewebe 80 dargestellt, welches an sich in Bezug auf das zu beschichtende Material 104 aus einem relativ preisgünstigen Material beschaffen sein kann. Eine Veredlung dieses Materials durch im Rahmen der Mehrfachbeschichtung 113 ergibt eine Mehrfachbeschichtung, die nur an den Kontaktstellen 44, 46 aufgebracht ist, d.h. an denjenigen Stellen des zu beschichtenden Materials 104 an denen die jeweiligen Funktionen zu verwirklichen sind.
7 zeigt eine Draufsicht auf eine Brennstoffzelle mit eingangs- und ausgangsseitig dargestellten Ports.
Aus 7 geht hervor, dass die PEM-Brennstoffzelle 10 - hier in der Draufsicht dargestellt - an einer Eintrittsseite 114 erste Ports 118 aufweist, durch welche Fluide in Fluidströmungsrichtung 96 in die Brennstoffzelle 10 eintreten. Im Bereich einer Austrittsseite 116 weist die PEM-Brennstoffzelle 10 eine Anzahl von zweiten Ports 120 auf, durch welche die Fluide unter anderem, H₂ und flüssiges Wasser aus der PEM-Brennstoffzelle 10 austreten. 7 zeigt, dass in der PEM-Brennstoffzelle 10 die Beschichtung 100 aufgebracht ist, die im Bereich der Austrittsseite 116 verläuft, da hier das Auftreten von Produktwasser am wahrscheinlichsten ist und demzufolge beispielsweise eine Beschichtung 100 als aktive Fläche 122 beispielsweise durch ein korrosionsresistentes Material 110 vorzusehen ist, um Schädigungen durch entstehendes Produkt Wasser im Bereich der Austrittsseite 116 der PEM-Brennstoffzelle 10 zu vermeiden.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012221730 A1 [0007]
DE 102014207594 A1 [0008]

Claims

Gasverteilerstruktur (14) für eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle (10) mit einem Gewebe (80) zum Verteilen eines Reaktanten, wobei das Gewebe (80) zumindest zwei voneinander verschiedene Fasern (81, 82, 83) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei voneinander verschiedenen Fasern (81, 82, 83) des Gewebes (80) als sich in vertikale oder in horizontale Richtung erstreckende Drähte (90, 92) aus einem Fasermaterial (104,) ausgeführt sind, welches mit einer Beschichtung (100) oder einer Mehrfachbeschichtung (113) eines Funktionsmaterials (108, 110, 112) versehen ist.
Gasverteilerstruktur (14) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (100) oder die Mehrfachbeschichtung (113) aus einem elektrisch leitenden Material (108) gefertigt ist.
Gasverteilerstruktur (14) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (100) oder die Mehrfachbeschichtung (113) Titan, Kohlenstoff, Edelstahl oder edle Elemente wie Au, Pd, Pt, elektrisch leitende Polymere oder Komposite, z.B. Polymere mit Kohlenstoff-Partikeln, oder kohlenstoffbasierte Beschichtungen, beispielsweise Graphit, enthält.
Gasverteilerstruktur (14) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als zu beschichtendes Material (104) Kunststoff oder Stahl ausgewählt ist.
Gasverteilerstruktur (14) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (100) oder die Mehrfachbeschichtung (113) als Korrosionsschutz dient und ein zu beschichtendes Material (104) mit höherer mechanischer Festigkeit eingesetzt ist.
Gasverteilerstruktur (14) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zu beschichtende Material (104) mit höherer mechanischer Festigkeit martensitische Stähle sind.
Gasverteilerstruktur (14) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (100) oder die Mehrfachbeschichtung (113) nichtleitendes Material (112), wie beispielsweise PTFE enthält.
Gasverteilerstruktur (14) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktpunkte des Gewebes (80) zu einer Bipolarplatte des Brennstoffzellenstapels (12) frei von dem nichtleitenden Material (112) sind und/oder an den Kontaktpunkten mit einem elektrisch leitenden Material (108) beschichtet sind.
Gasverteilerstruktur (14) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe (80) einseitig auf der Vorderseite oder der Rückseite mit einer Beschichtung (100) oder einer Mehrfachbeschichtung (113) versehen ist.
Gasverteilerstruktur (14) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teil des Gewebes (80) mit einem nichtleitenden Material (112) oder einem elektrisch leitenden Material (108) versehen ist und ein zweiter Teil des Gewebes (80) mit einem von diesem Material verschiedenen Material beschichtet ist.
Gasverteilerstruktur (14) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfachbeschichtung (113) als örtlich variierte Mehrfachbeschichtung ausgeführt ist.
Gasverteilerstruktur (14) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfachbeschichtung (113) im Bereich erster Kontaktstellen (44) elektrisch leitendes Material (118) und im Bereich zweiter Kontaktstellen (46) korrosionsresistentes Material (110) umfasst.
Verwendung der Gasverteilerstruktur (14) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 in einer PEM-Brennstoffzelle (10) oder einem Elektrolyseur.