DE102020207333A1

DE102020207333A1 - Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102020207333A1
Application number: DE102020207333.3A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Berner; Thilo Lehre; Andreas Gehrold
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-06-12
Filing date: 2020-06-12
Publication date: 2021-12-16
Also published as: WO2021249710A1; EP4165704A1; CN116018702A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Anordnung (105) für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellenaggregats (1) bevorzugt für ein Brennstoffzellenfahrzeug, mit einer Membran (110), wenigstens einer an der Membran (110) vorgesehenen katalytischen Elektrode (112, 113) und einer auf der katalytischen Elektrode (112, 113) vorgesehenen, sich flächig erstreckenden Gasdiffusionslage (120, 130), wobei die Gasdiffusionslage (120/130) wenigstens teilweise als eine poröse Verbundlage (120/ 130) konstituiert ist, und die poröse Verbundlage (120/130) eine mikroporöse Partikellage (122/132) aufweist, in welche wenigstens abschnittsweise eine offenporöse, insbesondere metallische, Materialschicht (123/133) eingebettet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Gasdiffusionslagen-Anordnung, nachfolgend als Membran-Elektroden-Anordnung bezeichnet, für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellenaggregat und ein Brennstoffzellensystem bevorzugt für ein Brennstoffzellenfahrzeug.
Stand der Technik
In einer Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats z. B. eines Brennstoffzellensystems beispielsweise eines Brennstoffzellenfahrzeugs erfolgt eine elektrochemische Wandlung zweier Reaktanten zweier Betriebsmedien in elektrische Energie und Wärme. Hierbei umfasst die Brennstoffzelle zumindest eine Membran-Elektroden-Anordnung, welche einen Schichtaufbau aus einer ionen- bzw. protonenleitenden Membran und beidseitig an der Membran vorgesehener, katalytischer Elektroden (Membran-Elektroden-Einheit mit Anoden- und Kathodenelektrode als Reaktivschichten) sowie Gasdiffusionslagen aufweist. In der Regel ist die Brennstoffzelle mit einer Vielzahl von in einem Stapel (Brennstoffzellenstack) angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen und dazwischen angeordneter Bipolarplatten ausgebildet.
Die EP 2 834 870 B1 offenbart eine Membran-Elektroden-Anordnung für solch eine Brennstoffzelle, mit einem auf einer Oberfläche einer katalytischen Elektrode einer Membran-Elektroden-Einheit vorgesehenen mikroporösen Partikelkörper. Ferner ist ein grobporöses Metallgeflecht an dem Partikelkörper vorgesehen, wobei diese beiden Körper zusammen eine einzelne Gasdiffusionslage der Membran-Elektroden-Anordnung bilden. Ferner besitzt der Partikelkörper vergleichsweise große Partikelgrößen an denjenigen Abschnitten, die mit Festphasenabschnitten des Metallgeflechts in einem mechanischen Kontakt stehen und vergleichsweise kleine Partikelgrößen an denjenigen Abschnitten, die Gasphasenabschnitten des Metallgeflechts zugewandt sind.
Aufgabenstellung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine alternative oder verbesserte Membran-Elektroden-Anordnung für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats bevorzugt für ein Brennstoffzellenfahrzeug, anzugeben.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist mittels einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle; und mittels einer Brennstoffzelle, einem Brennstoffzellenaggregat und einem Brennstoffzellensystem bevorzugt für ein Brennstoffzellenfahrzeug gelöst. - Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung umfasst eine Membran, wenigstens eine an der Membran vorgesehene katalytische Elektrode und eine auf der katalytischen Elektrode vorgesehene, sich flächig erstreckende Gasdiffusionslage, wobei die Gasdiffusionslage wenigstens teilweise als eine (mikro-)poröse Verbundlage konstituiert ist, und die (mikro-)poröse Verbundlage eine sich in der Fläche der Gasdiffusionslage erstreckende, mikroporöse Partikellage aufweist, in welche wenigstens abschnittsweise eine offenporöse, insbesondere metallische, Materialschicht eingebettet ist. Die offenporöse Materialschicht kann natürlich ebenfalls als eine offen-mikroporöse Materialschicht ausgebildet sein.
Hierbei umfasst die Membran-Elektroden-Anordnung lediglich bzw. mindestens die Membran, die wenigstens eine an der Membran vorgesehene katalytische Elektrode, also eine zumindest partiell ausgestaltete Membran-Elektroden-Einheit, und die wenigstens eine Gasdiffusionslage. Darüber hinaus weist die Membran-Elektroden-Anordnung bevorzugt im Wesentlichen keinen weiteren Bestandteil, wie z. B. eine Bipolarplatte bzw. einen Abschnitt davon auf, kann jedoch ggf. so einen Bestandteil umfassen.
Die mikroporöse Partikellage und die offenporöse Materialschicht unterscheiden sich wenigstens in ihrer thermischen und/oder elektrischen Leitfähigkeit, wobei beide bevorzugt aus unterschiedlichen Materialien (z. B. unterschiedlich strukturierter Werkstoff als zwei Materialien), insbesondere unterschiedlichen Werkstoffen (Werkstoff: in einheitlicher Form vorliegende Materie mit bestimmten Eigenschaften) aufgebaut sind. Die optionale, metallische' Eigenschaft der offenporösen Materialschicht soll dabei verdeutlichen, dass die Materialschicht wenigstens eine Eigenschaft eines Metalls aufweisen kann; dies betrifft insbesondere eine thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit, welche in einem Bereich eines Metalls oder darüber (vgl. u. Graphen) liegen soll.
Gemäß der Erfindung weist zur Verbesserung einer thermischen und/oder elektrischen Leitfähigkeit in Dickenrichtung einer Einzelzelle einer Brennstoffzelle, wenigstens eine Gasdiffusionslage einer Membran-Elektroden-Anordnung der Einzelzelle die poröse Verbundlage bzw. die in die mikroporöse Partikellage eingebettete offenporöse Materialschicht auf.
Die Membran-Elektroden-Anordnung kann an einer einseitig (anoden- oder kathodenseitig) oder beidseitig (anoden- und kathodenseitig) mit einer katalytischen Elektrode beschichteten Membran, und dort an einer einzigen von einer oder zwei katalytischen Elektroden eine einzige Gasdiffusionslage bzw. an beiden katalytischen Elektroden jeweils eine (einzige) Gasdiffusionslage aufweisen. D. h. die erfindungsgemäße poröse Verbundlage kann entweder in/an der Anode/Anodenelektrode oder Kathode/Kathodenelektrode bzw. in/an der Anode/Anodenelektrode und Kathode/Kathodenelektrode einer betreffenden Einzelzelle eingerichtet sein.
Hierbei weist wenigstens eine Gasdiffusionslage der ggf. zwei Gasdiffusionslagen die erfindungsgemäße poröse Verbundlage auf, welche wenigstens teilweise oder im Wesentlichen vollständig die Gasdiffusionslage konstituiert. Falls nur auf einer einzigen (großflächigen) Seite der Membran-Elektroden-Anordnung eine poröse Verbundlage eingerichtet ist, kann auf der gegenüberliegenden Seite z. B. eine herkömmlichen Gasdiffusionslage eingerichtet sein. - Ferner ist die erfindungsgemäße poröse Verbundlage als mikroporöse Verbund-Partikellage (Verbund-MPL, vgl. u.) bezeichenbar. - Die offenporöse Materialschicht kann in Ebenenrichtung und/oder Dickenrichtung der Membran-Elektroden-Anordnung eine bessere thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit aufweisen als die mikroporöse Partikellage.
Die mikroporöse Partikellage kann als eine einseitig freistehende mikroporöse Partikellage ausgebildet sein, welche wenigstens abschnittweise eine Außenseite der Membran-Elektroden-Anordnung bildet. Darüber hinaus kann die poröse Verbundlage als eine einseitig freistehende poröse Verbundlage ausgebildet sein, welche wenigstens abschnittweise eine Außenseite der Membran-Elektroden-Anordnung bildet. - D. h. die mikroporöse Partikellage, die poröse Verbundlage bzw. die im Wesentlichen vollständig durch die poröse Verbundlage konstituierte Gasdiffusionslage steht in einem verbauten Zustand der Membran-Elektroden-Anordnung in einer Brennstoffzelle in einem Anoden- oder Kathodenraum in einem Fluidkontakt mit einem jeweiligen Betriebsmedium sowie den Betriebsmediumkanälen einer betreffenden Bipolarplatte.
Es können genau eine oder zwei, wenigstens eine oder zwei, oder eine Vielzahl von offenporösen Materialschichten innerhalb der mikroporösen Partikellage eingebettet sein. Ferner kann die/eine offenporöse Materialschicht zu einer Außenseite der mikroporösen Partikellage näher, gleich nah oder weniger nah benachbart liegen, als zu einer betreffenden katalytischen Elektrode oder der Membran. D. h. die offenporöse Materialschicht kann frei innerhalb einer Gesamtschichtdicke der mikroporöse Partikellage platziert sein, selbst aus einer oder mehrerer Schichten bestehen sowie ggf. in einer Ebene homogen und/oder inhomogen verteilt sein. Die mikroporöse Partikellage und deren offenporöse Materialschicht können eine sandwichartige Anordnung bilden, wobei die offenporöse Materialschicht im Wesentlichen zwischen Schichten der mikroporösen Partikellage vorgesehen ist.
Aus einer Membran-Elektroden-Einheit der Membran-Elektroden-Anordnung entstehbare Wärmequellen können als Wärmeströme beim Passieren der porösen Verbundlage mittels der porösen Verbundlage teilweise neutralisierbar sein. In einem Betrieb der Brennstoffzelle entstehen in deren Membran-Elektroden-Einheiten, jeweils zu den Betriebsmediumkanälen auf einem kurzen Weg benachbart, Wärmequellen, sogenannte ,Hotspots'. Diese Wärmequellen breiten sich, ausgehend von der Membran-Elektroden-Einheit einer jeweiligen Membran-Elektroden-Anordnung, in eine betreffende poröse Verbundlage aus und pflanzen sich dort als Wärmeströme in Richtung einer betreffenden Bipolarplatte fort, mittels welcher eine Kühlung einer Einzelzelle erfolgt.
Die sich dadurch in der porösen Verbundlage zueinander beabstandet und in Richtung der Bipolarplatte fortpflanzenden Wärmeströme werden beim Passieren der porösen Verbundlage in Dickenrichtung aufgrund der Eigenschaften der offenporösen Materialschicht forciert zu einem Auffächern, Ausbreiten etc. gezwungen. Hierdurch neutralisieren sich in der porösen Verbundlage, insbesondere durch deren offenporöse Materialschicht, in diese als Wärmeströme eintretende Wärmequellen mit von der betreffenden Bipolarplatte stammenden Wärmesenken teilweise. D. h. ferner, dass mittels der porösen Verbundlage ein aus der/einer Membran-Elektroden-Einheit der Membran-Elektroden-Anordnung abtransportierbarer Gesamtflächen-Wärmestrom in der offenporösen Materialschicht homogenisierbar ist.
Die poröse Verbundlage kann derart ausgebildet sein, dass eine globale Mittenebene der offenporösen Materialschicht eben innerhalb der mikroporösen Partikellage eingebettet ist (vgl. 4 und 5, die beide solche Materialschichten innerhalb der Partikellage zeigen). Die globale Mittenebene der offenporösen Materialschicht kann im Wesentlichen parallel zu einer Außenseite der porösen Verbundlage in die mikroporöse Partikellage eingebettet sein. Former kann ein Verhältnis einer ggf. mittleren Dicke der porösen Verbundlage oder mikroporösen Partikellage zur offenporösen Materialschicht in einem Mittel ca. 2:1, ca. 2,5:1, ca. 3:1, ca. 3,5:1, ca. 4:1, ca. 5:1, ca. 7,5:1 oder ca. 10:1 betragen. Eine Dicke der offenporösen Materialschicht kann im Wesentlichen konstant sein oder, z. B. periodisch, variieren.
Die offenporöse Materialschicht selbst kann im Wesentlichen platten-, teller- und/ oder blattförmig ausgebildet sein (vgl. 4). Hierbei kann eine Unstetigkeitsstelle, Stufe etc. in der offenporösen Materialschicht eingerichtet sein. Ferner kann die offenporöse Materialschicht als eine gewellte Materialschicht (vgl. 6 o.), Trapez-Materialschicht (vgl. 6 u.), gerippte Materialschicht ausgebildet sein. D. h. die offenporöse Materialschicht kann miniaturisiert und analog zu einem Wellblech, z. B. mit einem Sinusprofil; Trapezblech; Kühlblech etc. ausgebildet sein.
Des Weiteren kann die offenporöse Materialschicht selbst als eine einfache homogene oder inhomogene Materialschicht ausgebildet sein. - Ferner kann die offenporöse Materialschicht selbst als eine zusammenhängend- und/oder lose-fragmentierte Materialschicht ausgebildet sein. Im ersten Fall setzt sich die offenporöse Materialschicht aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen Bestandteilen (Fragmente) zusammen, wohingegen im zweiten Fall diese Fragmente nicht (vgl. 6 u.) über Materialstrukturen der offenporöse Materialschicht miteinander in Verbindung stehen.
In Ausführungsformen können Abschnitte der offenporösen Materialschicht näher an aus der Membran-Elektroden-Einheit entstehbaren Wärmequellen liegen, als zu diesen Abschnitten direkt benachbarte Abschnitte der offenporösen Materialschicht (vgl. 6). Ferner können Abschnitte der offenporösen Materialschicht näher an der Membran-Elektroden-Anordnung entstehbaren Wärmesenken liegen, als zu diesen Abschnitten direkt benachbarte Abschnitte der offenporösen Materialschicht (vgl. 6). Innerhalb der offenporösen Materialschicht können zu Wärmequellen benachbarte Abschnitte stetig in zu Wärmesenken benachbarte Abschnitte der offenporösen Materialschicht übergeben.
Die offenporöse Materialschicht kann freie, lose und/oder verbundene Langfasern, Fasern, Kurzfasern und/oder Partikel aufweisen. Ferner kann die offenporöse Materialschicht als ein Gewebe, Streckmetall, Fließ, wenigstens eine papierartige Schicht und/oder ein Schaum ausgebildet sein. Darüber hinaus kann die offenporöse Materialschicht ein Metall und/oder Halbmetall aufweisen, sowie bevorzugt kein typisches Nicht-Eisen-Metall umfassen. Ein bevorzugtes Metall ist z. B. eine Eisenlegierung, insbesondere ein Stahl, bevorzugt ein Edelstahl; Titan etc. Des Weiteren kann die offenporöse Materialschicht ein Nichtmetall aufweisen, sowie bevorzugt keine Keramik- oder oxidische Fasern umfassen.
Ein bevorzugtes Halbmetall oder Nichtmetall weist z. B. auf Kohlenstoff basierte Partikel oder Fasern auf. Ferner ist ein graphenartiges Material, z. B. mit einer Inplane-Wärmeleitfähigkeit von größer 1.000W/m-K, anwendbar; hierzu zählen z. B. ein (Multiayer-)Graphen, (Multiwall) Carbon Nanotubes etc. - Das Material bzw. die Materialien der offenporösen Materialschicht können beschichtet sein, um z. B. eine hydrophile oder hydrophobe Eigenschaft zu erzeugen. Die Beschichtung kann homogen sein, örtlich variieren sowie (voll-)flächig und/oder unterbrochen sein etc.
Die Membran kann als eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran, insbesondere eine lonomermembran, bevorzugt eine Nafion^®-Membran, ausgebildet sein. Die/eine Membran-Elektroden-Einheit kann als eine mit katalytischen Elektroden beschichtete Membran (CCM: Catalyst Coated Membrane) ausgebildet sein. Die im Wesentlichen gesamte Gasdiffusionslage kann als die poröse Verbundlage ausgebildet sein. D. h. die Gasdiffusionslage als poröse Verbundlage weist keine weitere wesentliche Lage, keinen weiteren wesentlichen Bestandteil etc. auf.
In Ausführungsformen kann die Gasdiffusionslage neben der porösen Verbundlage wenigstens eine zweite Lage umfassen. D. h. die Gasdiffusionslage kann wenigstens eine weitere wesentliche Lage, einen weiteren wesentlichen Bestandteil etc., z. B. eine herkömmliche Lage, umfassen. Ferner kann die Membran-Elektroden-Anordnung wenigstens oder genau eine Bipolarplatte umfassen.
Figurenliste
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische und nicht maßstabsgetreue Zeichnung näher erläutert. Bei der Erfindung kann ein Merkmal positiv, d. h. vorhanden, oder negativ, d. h. abwesend, ausgestaltet sein. In dieser Spezifikation ist ein negatives Merkmal als Merkmal nicht explizit erläutert, wenn nicht gemäß der Erfindung Wert daraufgelegt ist, dass es abwesend ist. D. h. die tatsächlich gemachte und nicht eine durch den Stand der Technik konstruierte Erfindung darin besteht, dieses Merkmal wegzulassen. Das Fehlen eines Merkmals (negatives Merkmal) in einem Ausführungsbeispiel zeigt, dass das Merkmal optional ist. - In den lediglich beispielhaften und schematischen Figuren (Fig.) der Zeichnung zeigen:

1 in einem vereinfachten Blockschaltbild eine Ausführungsform eines Brennstoffzellenaggregats für ein Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung,
2 in einer 2D-Schnittansicht einen vierseitig weggebrochenen Ausschnitt einer Einzel-Brennstoffzelle einer Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik,
3 eine Ansicht analog zu 2, mit einer mikroporösen Partikelschicht (o.) und einer mikroporösen Partikelschicht sowie einem Kohlefaserflies (u.) als Gasdiffusionslagen gemäß dem Stand der Technik,
4 in einer 2D-Schnittansicht einen vierseitig weggebrochenen Ausschnitt einer Einzel-Brennstoffzelle einer Brennstoffzelle, mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage,
5 eine Darstellung analog zu 3, mit einer Verbundlage als Gasdiffusionslage gemäß der Erfindung (o.), und einer mikroporösen Partikelschicht sowie einem Kohlefaserflies als Gasdiffusionslage gemäß dem Stand der Technik (u.), und
6 eine Ansicht analog zu 4, in welcher zwei weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gasdiffusionslagen als Verbundlagen gezeigt sind.

Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen einer Membran-Elektroden-Anordnung 105 für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle 10 eines Brennstoffzellenaggregats 1 für ein Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs, d. h. eines Kraftfahrzeugs aufweisend eine Brennstoffzelle bzw. ein Brennstoffzellensystem, näher erläutert.
In der Zeichnung sind nur diejenigen Abschnitte des Brennstoffzellensystems dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung notwendig sind. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Ferner kann die Erfindung auf eine elektrochemische Zelle angewendet werden.
Die 1 zeigt das Brennstoffzellenaggregat 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, mit wenigstens einer, insbesondere einer Mehrzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel 10, ebenfalls als Brennstoffzelle 10 bezeichnet, gebündelten Einzel-Brennstoffzellen 100 (Einzelzellen 100), die in einem bevorzugt fluiddichten Stapelgehäuse 16 untergebracht sind.
Jede Einzelzelle 100, vgl. auch die 2, umfasst einen Anodenraum 12 mit einer Gasdiffusionslage 120 (der Brennstoffzelle 10), und einen Kathodenraum 13 mit einer Gasdiffusionslage 130 (der Brennstoffzelle 10), die von einer Membran-Elektroden-Einheit 101 (MEA: Membrane Electrode Assembly) räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind (vgl. Detailausschnitt). Die Membran-Elektroden-Einheit 101 (ohne Gasdiffusionslage(n) 120, 130) ist bevorzugt als eine mit katalytischen Elektroden 112, 113 beschichtete Membran 110 (CCM: Catalyst Coated Membrane) ausgebildet, wobei die Membran-Elektroden-Einheit 101 mit den Gasdiffusionslage(n) 120, 130 als eine Membran-Elektroden-Anordnung 105 bezeichnet ist.
Zwischen zwei direkt zueinander benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen 105 ist jeweils eine Bipolarplatte 140 angeordnet, welche einer Zuführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 100 und einen Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 100 dient und darüber hinaus eine elektrisch leitende Verbindung zwischen diesen Einzelzellen 100 realisiert. - Zur Versorgung der Brennstoffzelle 10 mit ihren eigentlichen Betriebsmedien 3 (Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff), 5 (Kathoden-Betriebsmedium) weist das Brennstoffzellenaggregat 1 eine Anodenversorgung 20 und eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst insbesondere: einen Brennstoffspeicher 23 für das Anoden-Betriebsmedium 3 (hinströmend); einen Anoden-Versorgungspfad 21 mit einen Ejektor 24; einen Anoden-Abgaspfad 22 für ein Anoden-Abgas 4 (abströmend, meist in die Umgebung 2); bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 mit einer darin befindlichen Fluid-Fördereinrichtung 26 und ggf. einen Wasserabscheider. - Die Kathodenversorgung 30 umfasst insbesondere: einen Kathoden-Versorgungspfad 31 für das Kathoden-Betriebsmedium 5 (hinströmend, meist aus der Umgebung 2), mit bevorzugt einer Fluid-Fördereinrichtung 33; einen Kathoden-Abgaspfad 32 für ein Kathoden-Abgas 6 (abströmend, meist in die Umgebung 2) mit bevorzugt einer Turbine 34, ggf. der eines Abgasturboladers; bevorzugt einem Feuchteübertrager 36; ggf. einem Wastegate 35 zwischen dem Kathoden-Versorgungspfad 31 und dem Kathoden-Abgaspfad 22; und ggf. einen Wasserabscheider.
Das Brennstoffzellenaggregat 1 umfasst ferner insbesondere eine Kühlmediumversorgung 40, durch welche hindurch die Brennstoffzelle 10 bevorzugt mittels ihrer Bipolarplatten 140 in einen Kühlkreislauf wärmeübertragend zum Temperieren einbindbar ist. Die Kühlmediumversorgung 40 umfasst einen Kühlmedium-Zulaufpfad 41 und einen Kühlmedium-Ablaufpfad 42. Eine Förderung des in der Kühlmediumversorgung 40 zirkulierenden Kühlmediums 7 (hinströmend), 8 (abströmend) erfolgt bevorzugt mittels wenigstens einer Kühlmedium-Fördereinrichtung 43. - Das Brennstoffzellensystem umfasst neben dem Brennstoffzellenaggregat 1 periphere Systemkomponenten, wie z. B. ein Steuergerät, welches eines des Brennstoffzellenfahrzeugs sein kann.
Die 2 zeigt eine Einzelzelle 100 gemäß dem Stand der Technik, aufweisend die zentrale, dreilagige Membran-Elektroden-Einheit 101 (Membran 110 mit katalytischer Anoden- 112 und Kathodenelektrode 113). An der jeweiligen Elektrode 112, 113 ist eine Gasdiffusionslage 120, 130 angeordnet, die jeweils gegenüberliegend zur Membran-Elektroden-Einheit 101 von einer Bipolarplatte 140 bedeckt ist. Anoden- bzw. Kathodenkanäle für das Betriebsmedium 3/5 (Betriebsmediumkanäle) in der jeweiligen Bipolarplatte 140, die jeweilige Gasdiffusionslage 120/130 und die jeweilige Anoden- 112 bzw. Kathodenelektrode 113 bilden eine Anode 102 bzw. Kathode 103 der Einzelzelle 100. Die Anoden- bzw. Kathodenkanäle in der jeweiligen Bipolarplatte 140 sowie ein Raum für die betreffende Gasdiffusionslage 120/130 bilden jeweils einen Anoden- 12 bzw. Kathodenraum 13 der Einzelzelle 100.
Eine Gasdiffusionslage 120, 130 hat innerhalb der Brennstoffzelle 10 bzw. der Einzelzelle 100 verschiedene Aufgaben. Dazu zählen u. a. ein Stofftransport (Anoden- bzw. Kathoden-Betriebsmedium 3, 5; Anoden- bzw. Kathoden-Abgas 4, 6; Wasser; etc.), eine Leitung von Wärme, eine Leitung von elektrischem Strom und/oder eine mechanisch-statische Kraftverteilung. In einem Stand der Technik (vgl. 2 und 3 u.) umfasst die Gasdiffusionslage 130, 120 jeweils kanalseitig, also den Anoden- bzw. Kathodenkanälen zugewandt, ein Kohlefaserflies 134, 124 (GDB: Gas Diffusion Backing) und jeweils katalysatorseitig, also der katalytischen Kathoden- 113 bzw. Anodenelektrode 112 zugewandt, eine mikroporöse Partikelschicht 135, 125 (MPL: Micro-Porous Layer).
Ein Kohlefaserflies 134/124 (vgl. 3, nur die untere Hälfte ohne die mikroporöse Partikelschicht 135/125) leitet entlang seinen Ebenen (Ebenenrichtung E) Wärme und Strom gut und durch die Ebenen hindurch (Dickenrichtung D) schlechter; es besitzt also eine anisotrope thermische und elektrische Leitfähigkeit. Eine freistehende, d. h. mit dem Anoden- bzw. Kathodenraum 12, 13 in einem direkten Fluidkontakt stehende, mikroporöse Partikelschicht 125/135 (vgl. 3, nur die obere Hälfte), besitzt eine quasi isotrope, jedoch schlechte thermische und elektrische Leitfähigkeit. - Die insgesamt ggü. einem Kohlefaserflies 124, 134 schlechteren Leitfähigkeiten führen bei einer freistehenden mikroporösen Partikelschicht 125, 135 typischerweise zu einem schlechten Wärmeaustrag aus einer Einzelzelle 100.
Dies kann mittels einer Simulation verdeutlicht werden und zeigt sich z. B. in Wärmestaus in den Bereichen unterhalb der Anoden- bzw. Kathodenräume 12, 13. Dies ist in der 3 o. dargestellt (Temperaturkurven: T₁ > T₂ > T₃). Ferner ist in der 3 während eines simulierten Betriebs der Einzelzelle 100 ein deutlicher Unterschied einer Wärmeverteilung (ca. 68,2°C = T₁ > T₂ > T₃ = ca. 67,1 °C (> T₄ > T₅ > T₆, vgl. 5)) zwischen der freistehenden mikroporösen Partikelschicht 125/135 in einem oberen Bereich der Einzelzelle 100 (d. h. o. in 3), und der Gasdiffusionslage 130/120 gemäß dem Stand der Technik in einem unteren Bereich der Einzelzelle 100 (d. h. u. in 3), aufweisend die katalysatorseitige mikroporöse Partikelschicht 135/125 und das kanalseitige Kohlefaserflies 134/124, zu erkennen.
Die Wärmestaus (vgl. 3 o.) unterhalb der Anoden- bzw. Kathodenkanäle wirken sich nachteilig auf einen Stofftransport innerhalb der freistehenden mikroporösen Partikelschicht 125/135 aus und begünstigen Degradation. Ferner zeigen sich Temperaturinhomogenitäten in den denjenigen Bereichen, wo die mikroporöse Partikelschicht 125/135 mit den Anoden- bzw. Kathodenkanälen und der betreffenden Bipolarplatte 140 zusammenreffen. Diese Temperaturinhomogenitäten setzen sich von dort jeweils ausgehend zwischen der mikroporösen Partikelschicht 125/135 und der betreffenden Bipolarplatte 140 in die Einzelzelle 100 fort.
Weiterhin zeigen sich in der mikroporösen Partikelschicht 125/135 in denjenigen Bereichen, mit welchen sie in einem mechanischen Kontakt mit den Bipolarplatten 140 steht, starke Temperaturgardienten, sogenannte Coldspots' (Einfluss des Kühlmediums 7), an welchen unerwünschte Kondensation von Wasser möglich ist, was zu Massentransportverlusten in der mikroporösen Partikelschicht 125/135 führen kann. - Die Temperaturverteilung in 3 u. (mikroporöse Partikelschicht 135/125 und Kohlefaserflies 134/124) ist sowohl auf Seiten der Membran-Elektroden-Einheit 101 als auch kanäle-/stegseitig der Bipolarplatte 140 deutlich homogener als in der freistehenden mikroporösen Partikelschicht 125/135.
U. a. mit Bezug auf 3 ist die freistehende mikroporöse Partikelschicht 125/ 135, also o. in 3, in ihren horizontalen Ebenen (Ebenenrichtung E) thermisch deutlich schlechter leitfähig als ein Gasdiffusionslagen-Sandwich gemäß dem Stand der Technik, also u. in 3. Dies rührt daher, dass im herkömmlichen Gasdiffusionslagen-Sandwich aus der mikroporösen Partikelschicht 135/125 und dem Kohlefaserflies 134/124 eine Faserstruktur des Kohlefaserflieses 134/124 einen Hauptbeitrag zur thermischen Leitfähigkeit in der Ebene beiträgt, dieser jedoch bei der freistehenden mikroporösen Partikelschicht 125/135 fehlt.
Gemäß der Erfindung wird ein, ggf. mehrfaches, Gasdiffusionslagen-Sandwich aus wenigstens einer in eine mikroporöse Partikellage 122/132 wenigstens abschnittsweise eingebettete offenporöse, insbesondere metallische, Materialschicht 123/133 gelehrt; eine sogenannte erfindungsgemäße poröse Verbundlage 120/130 als Schicht der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung 105. Diese poröse Verbundlage 120/130 als ein Bestandteil einer oder als eine gesamte Gasdiffusionslage 120/130 ist o. eingehend erläutert, weswegen im Folgenden nur noch auf die Beispiele in den 4 bis 6 näher eingegangen ist.
Die 4 zeigt in einer Membran-Elektroden-Anordnung 105 einer Brennstoffzelle 100 eine Kombination einer erfindungsgemäßen porösen Verbundlage 120/ 130 als Gasdiffusionslage 120/130 (4 o.), mit einer Gasdiffusionslage 130/ 120 gemäß dem Stand der Technik (4 u.). - Die erfindungsgemäße poröse Verbundlage 120/130 (4 o.) umfasst eine einzige offenporöse Materialschicht 123/133, die zu einer Außenseite der (einzigen) mikroporösen Partikellage 122/ 132, in welche sie eingebettet ist, näher benachbart liegt, als zu einer betreffenden katalytischen Elektrode 112/113. Die Gasdiffusionslage 130/120 gemäß dem Stand der Technik (4 u.) umfasst, analog zur 3, eine einzige mikroporöse Partikelschicht 135/125 direkt benachbart zur betreffenden katalytischen Elektrode 113/114 und darauf angeordnet ein Kohlefaserflies 134/124.
Die 5 zeigt analog zu und mit den Temperaturangaben aus der 3 eine simulierte Wärmeverteilung ((T₁ > T₂ >) ca. 67,1 °C = T₃ > T₄ > T₅ > T₆ = 65,8°C) der erfindungsgemäßen porösen Verbundlage 120/130 (5 o.) mit einer Gasdiffusionslage 130/120 gemäß dem Stand der Technik (5 u., jedoch nur bedingt, vgl. u.; vgl. a. 3 u.) in einem Betrieb der Brennstoffzelle 100. Hierbei ist gut zu erkennen, dass die Wärmestaus unterhalb der Anoden- bzw. Kathodenkanäle sowie die Temperaturinhomogenitäten in denjenigen Bereichen, wo nun die mikroporöse Partikellage 122/132 mit den Anoden- bzw. Kathodenkanälen und der betreffenden Bipolarplatte 140 zusammenreffen, im Wesentlichen verschwunden sind, was natürlich auch auf die damit einhergehenden Nachteile zutrifft.
Zu bemerken ist hierbei, dass die 3 u. und die 5 u. identisch ausgestaltete und aufgebaute Abschnitte von Membran-Elektroden-Anordnungen 105 bei gleicher simulierter Leistung der Brennstoffzelle 100 zeigen. Die Abweichungen der 5 u. ggü. der 3 u., d. h. die Verbesserungen der Wärmeverteilung abseits der Erfindung (5 o.) im Bereich der herkömmlichen Gasdiffusionslage 130/120 (5 u.) ist auf einen thermischen Einfluss der erfindungsgemäßen porösen Verbundlage 120/130 (5 o.) zurückzuführen. - D. h. bei einer doppelseitigen Anwendung der Erfindung ist mit einer weiteren Verbesserung der Wärmeverteilung zu rechnen.
Die 6 zeigt zwei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung. - Die 6 o. zeigt - im Gegensatz zur 5 o., die eine ebene und plattenförmig ausgebildete, offenporöse Materialschicht 123/133 lehrt - eine gewellte Materialschicht 123/ 133 (analog zu einem Wellblech). Die z. B. sinusförmig gewellte offenporöse Materialschicht 123/133 liegt dabei abschnittweise näher an der Membran-Elektroden-Einheit 101 und abschnittweise näher an der betreffenden Bipolarplatte 140. Diejenigen Abschnitte, mit welchen die gewellte offenporöse Materialschicht 123/ 133 näher an der Membran-Elektroden-Einheit 101 liegt, liegen bevorzugt den Betriebsmediumkanälen der betreffenden Bipolarplatte 140 in Dickenrichtung D im Wesentlichen direkt gegenüber. Hierbei kann die gewellte offenporöse Materialschicht 123/133 mit der betreffenden Bipolarplatte 140 und/oder der betreffenden Elektrode 112/113 in direktem mechanischen Kontakt stehen.
Ferner zeigt die 6 u. eine offenporöse Trapez-Materialschicht 133/123 (analog zu einem Trapezblech), die sich, analog zur 6 o., wiederum abschnittsweise näher an die Membran-Elektroden-Einheit 101 und abschnittsweise näher an die betreffenden Bipolarplatte 140 hinerstreckt. Hierbei ist die Trapez-Materialschicht 133/123 als eine lose-fragmentierte offenporöse Materialschicht 133/123 im Gegensatz zu den 5 o. und 6 o. ausgebildet, die jeweils eine zusammenhängende, homogene offenporöse Materialschicht 123/133 zeigen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2834870 B1 [0003]

Claims

Membran-Elektroden-Anordnung (105) für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellenaggregats (1) bevorzugt für ein Brennstoffzellenfahrzeug, mit einer Membran (110), wenigstens einer an der Membran (110) vorgesehenen katalytischen Elektrode (112, 113) und einer auf der katalytischen Elektrode (112, 113) vorgesehenen, sich flächig erstreckenden Gasdiffusionslage (120, 130), dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslage (120/130) wenigstens teilweise als eine poröse Verbundlage (120/130) konstituiert ist, wobei die poröse Verbundlage (120/ 130) eine mikroporöse Partikellage (122/132) aufweist, in welche wenigstens abschnittsweise eine offenporöse, insbesondere metallische, Materialschicht (123/133) eingebettet ist.
Membran-Elektroden-Anordnung (105) gemäß vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass: • die offenporöse Materialschicht (123/133) in Ebenenrichtung (E) und/oder Dickenrichtung (D) der Membran-Elektroden-Anordnung (105) eine bessere thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit aufweist als die mikroporöse Partikellage (122/132), • die mikroporöse Partikellage (122/132) als eine freistehende mikroporöse Partikellage (122/132) ausgebildet ist, welche wenigstens abschnittweise eine Außenseite der Membran-Elektroden-Anordnung (105) bildet, und/oder • die poröse Verbundlage (120/130) als eine freistehende poröse Verbundlage (120/130) ausgebildet ist, welche wenigstens abschnittweise eine Außenseite der Membran-Elektroden-Anordnung (105) bildet.
Membran-Elektroden-Anordnung (105) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass genau eine oder zwei, wenigstens eine oder zwei, oder eine Vielzahl von offenporösen Materialschichten (123/133) innerhalb der mikroporösen Partikellage (122/132) eingebettet ist oder sind, und/oder die/eine offenporöse Materialschicht (123/133) zu einer Außenseite der mikroporösen Partikellage (122/132) näher, gleich nah oder weniger nah benachbart liegt, als zu einer betreffenden katalytischen Elektrode (112, 113) oder der Membran (110).
Membran-Elektroden-Anordnung (105) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: • die mikroporöse Partikellage (122/132) und deren offenporöse Materialschicht (123/133) eine sandwichartige Anordnung bilden, wobei die offenporöse Materialschicht (123/133) im Wesentlichen zwischen Schichten der mikroporösen Partikellage (122/132) vorgesehen ist, • aus einer Membran-Elektroden-Einheit (101) der Membran-Elektroden-Anordnung (105) entstehbare Wärmequellen als Wärmeströme beim Passieren der porösen Verbundlage (120/130) mittels der porösen Verbundlage (120/130) teilweise neutralisierbar sind, und/oder • mittels der porösen Verbundlage (120/130) ein aus der/einer Membran-Elektroden-Einheit (101) der Membran-Elektroden-Anordnung (105) abtransportierbarer Gesamtflächen-Wärmestrom in der offenporösen Materialschicht (123/133) homogenisierbar ist.
Membran-Elektroden-Anordnung (105) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: • die poröse Verbundlage (120/130) derart ausgebildet ist, dass eine globale Mittenebene der offenporösen Materialschicht (123/133) eben innerhalb der mikroporösen Partikellage (122/132) eingebettet ist, • die globale Mittenebene der offenporösen Materialschicht (123/133) im Wesentlichen parallel zu einer Außenseite der porösen Verbundlage (120/ 130) in die mikroporöse Partikellage (122/132) eingebettet ist, und/oder • ein Verhältnis einer mittleren Dicke (D) der porösen Verbundlage (120/130) oder mikroporösen Partikellage (122/132) zur offenporösen Materialschicht (123/133) in einem Mittel ca. 2:1, ca. 2,5:1, ca. 3:1, ca. 3,5:1, ca. 4:1, ca. 5:1, ca. 7,5:1 oder ca. 10:1 beträgt.
Membran-Elektroden-Anordnung (105) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die offenporöse Materialschicht (123/133) selbst: • im Wesentlichen platten-, teller- und/oder blattförmig ausgebildet ist, • als eine gewellte Materialschicht (123/133), Trapez-Materialschicht (123/ 133), gerippte Materialschicht ausgebildet ist, • als eine einfache homogene oder inhomogene Materialschicht ausgebildet ist, und/oder • als eine zusammenhängend- und/oder lose-fragmentierte Materialschicht ausgebildet ist.
Membran-Elektroden-Anordnung (105) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: • Abschnitte der offenporösen Materialschicht (123/133) näher an aus der Membran-Elektroden-Einheit (101) entstehbaren Wärmequellen liegen, als zu diesen Abschnitten direkt benachbarte Abschnitte der offenporösen Materialschicht (123/133), • Abschnitte der offenporösen Materialschicht (123/133) näher an an der Membran-Elektroden-Anordnung (105) entstehbaren Wärmesenken liegen, als zu diesen Abschnitten direkt benachbarte Abschnitte der offenporösen Materialschicht (123/133), und/oder • innerhalb der offenporösen Materialschicht (123/133) zu Wärmequellen benachbarte Abschnitte stetig in zu Wärmesenken benachbarte Abschnitte der offenporösen Materialschicht (123/133) übergeben.
Membran-Elektroden-Anordnung (105) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die offenporöse Materialschicht (123): • freie, lose und/oder verbundene Langfasern, Fasern, Kurzfasern und/oder Partikel aufweist, • als ein Gewebe, Streckmetall, Fließ, wenigstens eine papierartige Schicht und/oder ein Schaum ausgebildet ist, • ein Metall und/oder Halbmetall aufweist, sowie bevorzugt kein typisches Nicht-Eisen-Metall umfasst, und/oder • ein Nichtmetall aufweist, sowie bevorzugt keine Keramik- oder oxidische Fasern umfasst.
Membran-Elektroden-Anordnung (105) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: • die Membran (110) als eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran (110), insbesondere eine lonomermembran (110), ausgebildet ist, • die/eine Membran-Elektroden-Einheit (101) als eine mit katalytischen Elektroden (112, 113) beschichtete Membran (101) ausgebildet ist, • die im Wesentlichen gesamte Gasdiffusionslage (120) als die poröse Verbundlage (120) ausgebildet ist, und/oder • die Gasdiffusionslage (120/130) neben der porösen Verbundlage (120/130) wenigstens eine zweite Lage umfasst.
Brennstoffzelle (10), Brennstoffzellenaggregat (1) oder Brennstoffzellensystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (10), das Brennstoffzellenaggregat (1) oder das Brennstoffzellensystem eine Membran-Elektroden-Anordnung (105) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Brennstoffzelle (10), Brennstoffzellenaggregat (1) oder Brennstoffzellensystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer über eine wesentliche Fläche der porösen Verbundlage (120/ 130) gemittelten Temperatur von ca. 66,5°C in der äußeren Oberfläche der porösen Verbundlage (120/130): sich anoden- und/oder kathodenseitig Temperaturunterschiede von im Wesentlichen nicht größer als: ca. 1,6°C, ca. 1,5°C, ca. 1,4°C, ca. 1,3°C, ca. 1,2°C, ca. 1,1 °C, ca. 1,0°C, ca. 0,9°C, ca. 0,8°C, ca. 0,7°C, ca. 0,6°C, ca. 0,5°C oder ca. 0,4°C einstellen.