DE102020211047A1

DE102020211047A1 - Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102020211047A1
Application number: DE102020211047.6A
Authority: DE
Inventors: Jan Hendrik Ohs; Veronika Schleper
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2022-03-03

Abstract

Die Erfindung sieht ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellensystems (100), mit mindestens einer Brennstoffzelle (101), aufweisend folgende Schritte:1) Bereitstellen eines ersten Verteilungselementes (1) für einen sauerstoffhaltigen Reaktanten (O2) auf einer Kathodenseite (K) der mindestens einen Brennstoffzelle (101),2) Bereitstellen einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA), und3) Bereitstellen eines zweiten Verteilungselementes (2) für einen brennstoffhaltigen Reaktanten (H2) auf einer Anodenseite (A) der mindestens einen Brennstoffzelle (101),dadurch gekennzeichnet,dass das erste Verteilungselement (1) mit einem höheren thermischen Widerstand bereitgestellt wird als der thermische Widerstand des zweiten Verteilungselementes (2),sodass im Betrieb des Brennstoffzellensystems (100) der thermische Gradient (dT2) innerhalb des zweiten Verteilungselementes (2) größer ist als der thermische Gradient (dT1) innerhalb des ersten Verteilungselementes (1),um vorteilhafterweise einen Wasserfluss und/oder Wärmefluss (Q') durch die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) von der Kathodenseite (K) zu der Anodenseite (A) der mindestens einen Brennstoffzelle (101) einzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellensystems nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Zudem betrifft die Erfindung ein entsprechendes Brennstoffzellensystem nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch.
Stand der Technik
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, bei denen Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser, elektrische Energie und Wärme gewandelt werden. Die Reaktanten sowie Kühlflüssigkeit werden über Verteilungselemente mit Kanalstrukturen in die Brennstoffzelle geleitet. Oft werden Verteilungselemente mit feinporösen Gasdiffusionslagen ausgestattet, um die Reaktanten gleichmäßig über einer Katalysatorschicht einer Membranen-Elektroden-Einheit zu verteilen. Die Gasdiffusionslagen können bspw. zwei Schichten aufweisen, nämlich eine sog. Backbone, die grob-porös ausgeführt ist, und eine sog. mikroporöse Schicht, die feinere Poren aufweist als die Backbone. Die mikroporöse Schicht kann bspw. hydrophob beschichtet werden, um das Wasser- und Wärmemanagement innerhalb der Brennstoffzelle zu regeln. Zum einen hält die mikroporöse Schicht ausreichend Wasser in der Katalysatorschicht sowie der Membran zurück, sodass diese nicht austrockenen können. Zum anderen sorgt die mikroporöse Schicht dafür, dass bei hohen Stromdichten das Produktwasser ausreichend schnell abtransportiert wird und die Katalysatorschicht nicht flutet. Neben Verteilungselementen mit Kanälen und Stegen werden auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle auch andere offen-poröse Strukturen, wie z. B. Netze, Schäume, Drahtgewebe, Streckmetalle verwendet.
Die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle erzeugt neben dem erwünschten Strom auch Wasser und Wärme. Aus diesem Grund wird die Brennstoffzelle mit einem Wasser- und Wärmemanagement ausgeführt, um Überhitzung und Flutung der Brennstoffzelle zu vermeiden. Da zum effizienten Betrieb der Brennstoffzelle auch eine gewisse Zellfeuchte notwendig ist, muss zugleich das Austrocknen der Brennstoffzelle vermieden werden. Daher kommt dem Wasser- und Wärmemanagement in der Brennstoffzelle eine entscheidende Rolle zu.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches vor. Ferner sieht die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt ein entsprechendes Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt ein Verfahren zum Herstellen, insbesondere zum Einstellen von Wasser- und/oder Wärmemanagementeigenschaften, eines Brennstoffzellensystems, mit mindestens einer Brennstoffzelle, aufweisend folgende Schritte:

1) Bereitstellen eines ersten Verteilungselementes für einen sauerstoffhaltigen Reaktanten auf einer Kathodenseite der mindestens einen Brennstoffzelle,
2) Bereitstellen einer Membran-Elektroden-Einheit, und
3) Bereitstellen eines zweiten Verteilungselementes für einen brennstoffhaltigen Reaktanten auf einer Anodenseite der mindestens einen Brennstoffzelle.

Hierzu sieht die Erfindung vor, dass das erste Verteilungselement (derart) mit einem höheren thermischen Widerstand bereitgestellt wird als der thermische Widerstand des zweiten Verteilungselementes, sodass im Betrieb des Brennstoffzellensystems der thermische Gradient innerhalb des zweiten Verteilungselementes größer ist als der thermische Gradient innerhalb des ersten Verteilungselementes, um insbesondere einen (gewünschten bzw. bestimmten bzw. gezielt eingestellten) Wasserfluss und/oder Wärmefluss durch die Membran-Elektroden-Einheit von der Kathodenseite zu der Anodenseite der mindestens einen Brennstoffzelle einzustellen. Der Wärmefluss soll im Betrieb des Brennstoffzellensystems vorzugsweise von der Kathodenseite zur Anodenseite stattfinden. Der Wasserfluss durch die Membran soll im Betrieb des Brennstoffzellensystems vorzugsweise derart stattfinden, dass das Produktwasser durch den erfindungsgemäßen Effekt von der Kathodenseite zur Anodenseite verschoben wird, um den Wassertransport von der Anodenseite zur Kathodenseite durch einen elektro-osmotischen Drag zumindest zum Teil zu kompensieren oder sogar auszugleichen.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann in Form eines Brennstoffzellenstapels, eines sog. Brennstoffzellenstacks, mit mehreren gestapelten Wiederholeinheiten in Form einzelner Brennstoffzellen, vorzugsweise PEM-Brennstoffzellen, ausgeführt sein.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann vorteilhafterweise für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden.
Die Erfindung erkennt, dass die Temperaturgradienten innerhalb einer Brennstoffzelle, insbesondere die Temperaturgradienten in den Verteilungselementen auf der Kathodenseite und auf der Anodenseite der Brennstoffzelle, das Wassermanagement im Betrieb der Brennstoffzelle entscheidend beeinflussen können. Größerer thermischer Gradient innerhalb der Anode als der thermische Gradient innerhalb der Kathode der Brennstoffzelle kann signifikante Mengen an Wasser zwischen der Kathode und der Anode verschieben und auf diese Weise der Flutung der Kathode sowie der Austrocknung der Anode entgegenwirken. Solche thermischen Gradienten können durch unterschiedliche thermische Widerstände in den Verteilungselementen auf der Kathodenseite und auf der Anodenseite der Brennstoffzelle eingestellt werden. Unterschiedliche thermische Widerstände in den Verteilungselementen auf der Kathodenseite und auf der Anodenseite der Brennstoffzelle können wiederum durch die Formgebung der Verteilungselemente, durch die Wahl geeigneter Dicken, Materialien und/oder Zusammensetzungen der Verteilungselemente erreicht werden.
So kann bspw. ein thermisch schlechter leitendes Verteilungselement auf der Kathodenseite in Kombination mit einem thermisch gut leitenden Verteilungselement auf der Anodenseite eine wärmere Kathode bewirken, sodass das Wasser von der (in der Regel zu nassen) Kathode zu der Anode hin verschoben wird, die häufig das überschüssige Wasser noch gut aufnehmen kann. Derselbe Effekt lässt sich auch über die Wahl unterschiedlich dicker Verteilungselemente erzeugen, bspw. wenn ein offen poröses Material bei dem ersten Verteilungselement verwendet wird.
Die Erfindung kann vorsehen, dass die Verteilungselemente auf der Kathodenseite und auf der Anodenseite mit unterschiedlichen thermischen Leitfähigkeiten und/oder mit unterschiedlichen Dicken ausgeführt werden können, um die thermischen Gradienten innerhalb der Verteilungselemente nach Wunsch zu kalibrieren und auf diese Weise das Wassermanagement innerhalb der Brennstoffzelle entscheidend zu beeinflussen. Vorteilhafterweise kann somit die auftretende Massentransportlimitierung bei hohen Stromdichten zu geringen Kosten minimiert werden. Außerdem ist es vorteilhaft, dass mithilfe der Erfindung die Harmonisierung des Partialdrucks an der Katalysatorschicht nicht mehr im Vordergrund stehen muss.
Der Einfluss der thermischen Gradienten auf den Wasserhaushalt der Brennstoffzelle basiert auf dem temperaturabhängigen Sättigungsdampfdruck und der damit verbundenen temperaturabhängigen (molaren) Wasserdampfkonzentration in einer Gasmischung. Ein größerer Temperaturgradient innerhalb der Anode impliziert auch einen größeren Gradienten in der (molaren) Wasserdampfkonzentration und dadurch eine verstärkte Diffusion auf der Anodenseite in Richtung des abfallenden Gradienten, die wiederum eine verstärkte Desorption von Wasser aus der Membran zur Folge hat. Ein größerer thermischer Gradient innerhalb der Anode kann dadurch Wasserdampf von der Kathodenseite auf die Anodenseite verschieben. Auf diese Weise lässt sich der Wasserfluss durch die Membran kalibrieren, um insbesondere einem Austrocknen der Anode (insbesondere bedingt durch einen elektro-osmotischen Drag) entgegenzuwirken und in Hochlastpunkten auch ein Fluten der Kathode zu verzögern bzw. zu vermeiden.
Mit anderen Worten liegt der Erfindungsgedanke darin, dass durch ein gezieltes Einstellen eines höheren thermischen Widerstandes auf der Kathodenseite als der thermische Widerstand auf der Anodenseite beim Herstellen der Brennstoffzelle, später im Betrieb der Brennstoffzelle ein größerer Temperaturgradient in dem Verteilungselement auf der Anodenseite einstellt wird als der Temperaturgradient in dem Verteilungselement auf der Kathodenseite. Somit wird ein Teil des Wassers/Wasserdampfs von der Kathodenseite zu der Anodenseite vorschoben. Ein stärkerer Temperaturgradient in dem Verteilungselement auf der Anodenseite als der Temperaturgradient in dem Verteilungselement auf der Kathodenseite kann eine Art Sogwirkung auf den Wasserdampf bewirken, sodass dieser vermehrt von der Kathodenseite zur Anodenseite diffundieren kann und dem elektro-osmotischen Drag entgegenwirken kann. Da die Anode und die Kathode über die wasserleitende Membran verbunden sind, ergibt sich im Betrieb des Brennstoffzellensystems eine Verstärkte Diffusion des Wasserdampfes über die Membran in Richtung Anode. Die Erfindung kann vorzugsweise dazu dienen, um möglichst gleiche Feuchte auf der Kathodenseite und auf der Anodenseite einzustellen.
Weiterhin kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass der thermische Widerstand des ersten Verteilungselementes und der thermische Widerstand des zweiten Verteilungselementes durch Verändern, bspw. durch Testen und/oder durch Modellieren, von unterschiedlichen Eigenschaften der thermischen Leitfähigkeit des ersten Verteilungselementes und/oder des zweiten Verteilungselementes angepasst, insbesondere eingestellt, werden. Durch unterschiedliche thermische Leitfähigkeiten können auf eine einfache und elegante Weise gewünschte thermische Widerstände der Verteilungselemente eingestellt werden. Die unterschiedlichen thermischen Leitfähigkeiten können bspw. durch geeignete Materialien, Materialzusammensetzungen und/oder Materialeigenschaften, wie z. B. Porosität, eingestellt werden.
Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass der thermische Widerstand des ersten Verteilungselementes und der thermische Widerstand des zweiten Verteilungselementes durch Variieren, bspw. durch Testen und/oder durch Modellieren, von unterschiedlichen Dicken des ersten Verteilungselementes und/oder des zweiten Verteilungselementes angepasst, insbesondere eingestellt, werden. Somit kann eine einfache und kostengünstige Methode zum Anpassen der thermischen Gradienten innerhalb der Verteilungselemente zur Verfügung gestellt werden.
Zudem kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass der thermische Widerstand des ersten Verteilungselementes und der thermische Widerstand des zweiten Verteilungselementes durch Variieren, bspw. durch Testen und/oder durch Modellieren, von unterschiedlichen Materialzusammensetzungen des ersten Verteilungselementes und/oder des zweiten Verteilungselementes angepasst, insbesondere eingestellt, werden. Auf diese Weise kann eine besonders feinfühlige Methode zum Anpassen der thermischen Gradienten zur Verfügung gestellt werden, die nach Wunsch auch ohne Änderung der Dimensionen des Brennstoffzellensystems erfolgen kann.
Zudem kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellensystems vorsehen, den thermischen Widerstand des ersten Verteilungselementes und den thermischen Widerstand des zweiten Verteilungselementes durch Variieren, bspw. durch Testen und/oder durch Modellieren, von unterschiedlichen inneren und/oder äußeren Strukturen des ersten Verteilungselementes und/oder des zweiten Verteilungselementes anzupassen, insbesondere einzustellen. Auf diese Weise können die Geometrie und die Ausformung bzw. das Design der Verteilungselemente beim Anpassen der thermischen Gradienten innerhalb der Verteilungselemente berücksichtigt werden. Unter der äußeren Struktur kann insbesondere eine (makroskopische) Kanalstruktur verstanden werden. Unter der inneren Struktur kann insbesondere eine (mikroskopische) Porenstruktur und/oder eine Faserstruktur sowie deren entsprechende Parameter, wie z. B. Porengröße, und/oder Eigenschaften, wie z. B. Porosität, verstanden werden.
Ferner kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass der thermische Widerstand des ersten Verteilungselementes und der thermische Widerstand des zweiten Verteilungselementes durch Variieren, bspw. durch Testen und/oder durch Modellieren, von unterschiedlichen Anzahlen an einzelnen ersten Verteilungselementen und/oder an einzelnen zweiten Verteilungselementen angepasst, insbesondere eingestellt, werden. Somit kann ebenfalls eine einfache und kostengünstige Methode zum Anpassen der thermischen Gradienten innerhalb der Verteilungselemente zur Verfügung gestellt werden.
Weiterhin kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass beim Variieren der Anzahlen der einzelnen ersten Verteilungselemente und/oder der einzelnen zweiten Verteilungselemente die einzelnen ersten Verteilungselemente und/oder die einzelnen zweiten Verteilungselemente gleicher oder unterschiedlicher Art, umfassend: unterschiedliche Dicken, Materialzusammensetzungen und/oder Strukturen, verwendet werden. Auf diese Weise kann eine verfeinerte Methode zum Anpassen der thermischen Gradienten innerhalb der Verteilungselemente zur Verfügung gestellt werden.
Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist:

4) Überprüfen und/oder Vergleichen eines Feuchtigkeitsgehalts in einer Kathodenabluftleitung, bspw. eines Wasserstandes in einem Wasserabscheider am Ende der Kathodenabluftleitung, und/oder in einer Anoden-Drainleitung, insbesondere eines Wasserstandes in einem Wasserabscheider am Ende der Anoden-Drainleitung.

Auf diese Weise kann unmittelbar überprüft werden, inwiefern bzw. in welchem Maße das erfindungsgemäße Verfahren seine Vorteile entfaltet. Dies kann bspw. beim Testen des Brennstoffzellensystems erfolgen. Ein Wasserstand in einem entsprechenden Wasserabscheider kann auf eine kostengünstige Weise überprüft werden. Durch Vergleichen der Feuchtigkeitsgehalte können außerdem Rückschlüsse über den Wasserfluss durch die Membran gemacht werden.
Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass im Schritt 4) der Feuchtigkeitsgehalt in der Kathodenabluftleitung und/oder in der Anoden-Drainleitung als Funktion der Zeit und/oder unter unterschiedlichen Betriebsszenarien, wie z. B. bei einem Kaltstart, bei einer Leistungsspitze, bei einem Dauerlauf und/oder bei einem Abstellvorgang des Brennstoffzellensystems, überwacht wird. Wenn der Feuchtigkeitsgehalt als Funktion der Zeit überwacht werden, können zuverlässige Ergebnisse erzielt werden, die von momentanen Effekten und/oder Messfehlern befreit sind. Durch die Überwachung von unterschiedlichen Betriebsszenarien können unterschiedliche Verhältnismäßigkeiten im System überprüft werden, die sich bei den unterschiedlichen Betriebsszenarien unterscheiden können. Vorteilhaft kann sein, insbesondere die Leistungsspitzen zu überwachen, weil in diesem Betriebsszenario die Brennstoffzelle auf der Kathodenseite geflutet werden kann. Aber auch ein Kaltstart, Dauerlauf und/oder Abstellvorgang können schwierige Verhältnismäßigkeiten im System hervorrufen, die mithilfe der Erfindung überprüft werden können.
Zudem kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass im Schritt 2) der thermische Gradient innerhalb des ersten Verteilungselementes und der thermische Gradient innerhalb des zweiten Verteilungselementes als Funktion der Zeit und/oder unter unterschiedlichen Betriebsszenarien, wie z. B. bei einem Kaltstart, bei einer Leistungsspitze, bei einem Dauerlauf und/oder bei einem Abstellvorgang des Brennstoffzellensystems, überwacht wird. Wenn der thermische Gradient als Funktion der Zeit überwacht wird, können plausible Ergebnisse mithilfe der Anpassung der thermischen Gradienten innerhalb der Verteilungselemente erzielt werden.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle vorgeschlagen aufweisend: ein erstes Verteilungselement für einen sauerstoffhaltigen Reaktanten auf einer Kathodenseite der mindestens einen Brennstoffzelle, eine Membran-Elektroden-Einheit, und ein zweites Verteilungselement für einen brennstoffhaltigen Reaktanten auf einer Anodenseite der mindestens einen Brennstoffzelle. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das erste Verteilungselement einen (derart) höheren thermischen Widerstand aufweist als der thermische Widerstand des zweiten Verteilungselementes, sodass im Betrieb des Brennstoffzellensystems der thermische Gradient innerhalb des zweiten Verteilungselementes größer ist als der thermische Gradient innerhalb des ersten Verteilungselementes. Mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Vorteilhafterweise kann die Erfindung vorsehen, dass das Brennstoffzellensystem durch ein Verfahren hergestellt ist, welches, wie oben beschrieben, ablaufen kann, wobei insbesondere die Wasser- und/oder Wärmemanagementeigenschaften des Brennstoffzellensystems, wie oben beschrieben, eingestellt werden können.
Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass das erste Verteilungselement und das zweite Verteilungselement unterschiedliche Eigenschaften der thermischen Leitfähigkeit, unterschiedliche Dicken, unterschiedliche Materialzusammensetzungen, unterschiedliche innere und/oder äußere Strukturen und/oder unterschiedliche Anzahlen an einzelnen ersten Verteilungselementen und/oder an einzelnen zweiten Verteilungselementen aufweisen. Auf diese Weise kann eine flexible Anpassung der thermischen Widerstände der Verteilungselemente und somit der thermischen Gradienten innerhalb der Verteilungselemente bewirkt werden und ein vorteilhaftes Brennstoffzellensystem mit verbesserten Wasser- und Wärmemanagementeigenschaften zur Verfügung gestellt werden. Vorteilhafterweise kann somit ein Brennstoffzellensystem mit verbesserten Feuchtigkeitseigenschaften auf der Kathodenseite und auf der Anodenseite bereitgestellt werden.
Insbesondere kann die Erfindung vorsehen, dass das zweite Verteilungselement eine höhere, vorzugsweise 5% bis 100% höhere, insbesondere 5% bis 20% höhere, bevorzugt 10% höhere, thermische Leitfähigkeit aufweist als die thermische Leitfähigkeit des ersten Verteilungselementes, und/oder dass das erste Verteilungselement eine größere, vorzugsweise 5% bis 100% größere, insbesondere 5% bis 20% größere, bevorzugt 10% größere, Dicke aufweist als die Dicke des zweiten Verteilungselementes, und/oder dass das erste Verteilungselement eine höhere, vorzugsweise 5% bis 100% höhere, insbesondere 5% bis 20% höhere, bevorzugt 5% höhere, Porosität aufweist als die Porosität des zweiten Verteilungselementes. Auf diese Weise kann der erfindungsgemäße Effekt auf eine vorteilhafte Weise feinfühlig und präzise eingestellt werden, um das Produktwasser von der Kathodenseite zu der Anodenseite zu verschieben und somit dem elektro-osmotischen Drag entgegenzuwirken.
Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung und eines thermischen Gradients im Sinne der Erfindung zur Erklärung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 einen schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
Die 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 im Sinne der Erfindung. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 kann in Form eines Brennstoffzellenstapels, eines sog. Brennstoffzellenstacks, mit mehreren gestapelten Wiederholeinheiten in Form einzelner Brennstoffzellen 101 ausgebildet sein. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 kann für unterschiedliche mobile und stationäre Anwendungen verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 ist mit mindestens einer Brennstoffzelle 101 ausgeführt, wobei die Brennstoffzelle 101 folgende Elemente aufweist: eine Membran-Elektroden-Einheit MEA, ein erstes Verteilungselement 1 für einen sauerstoffhaltigen Reaktanten O2 auf einer Kathodenseite K der mindestens einen Brennstoffzelle 101 und ein zweites Verteilungselement 2 für einen brennstoffhaltigen Reaktanten H2 auf einer Anodenseite A der mindestens einen Brennstoffzelle 101. Hierzu sieht die Erfindung vor, dass das erste Verteilungselement 1 derart mit einem höheren thermischen Widerstand bereitgestellt wird als der thermische Widerstand des zweiten Verteilungselementes 2, sodass im Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 der thermische Gradient dT2 innerhalb des zweiten Verteilungselementes 2 größer ist als der thermische Gradient dT1 innerhalb des ersten Verteilungselementes 1, um vorteilhafterweise einen Wasserfluss und/oder Wärmefluss Q' durch die Membran-Elektroden-Einheit MEA von der Kathodenseite K zu der Anodenseite A der mindestens einen Brennstoffzelle 101 einzustellen.
Die 2 dient in Verbindung mit der 1 zu Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Effektes, der darin liegt, dass durch gezielt ausgewählte unterschiedliche thermische Gradienten auf der Anodenseite A und auf der Kathodenseite K das Produktwasser H2O zumindest zum Teil von der Kathodenseite K auf die Anodenseite A verschoben werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Herstellen eines Brennstoffzellensystems 100 mit verbesserten Wasser- und/oder Wärmemanagementeigenschaften, welches mindestens eine Brennstoffzelle 101 aufweisen kann, die schematisch in der 1 dargestellt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht folgende Schritte vor:

1) Bereitstellen eines ersten Verteilungselementes 1 für einen sauerstoffhaltigen Reaktanten O2 auf einer Kathodenseite K der mindestens einen Brennstoffzelle 101,
2) Bereitstellen einer Membran-Elektroden-Einheit MEA, und
3) Bereitstellen eines zweiten Verteilungselementes 2 für einen brennstoffhaltigen Reaktanten H2 auf einer Anodenseite A der mindestens einen Brennstoffzelle 101.

In den Schritten 1) und 3) ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das erste Verteilungselement 1 mit einem höheren thermischen Widerstand bereitgestellt wird als der thermische Widerstand des zweiten Verteilungselementes 2, sodass im Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 der thermische Gradient dT2 innerhalb des zweiten Verteilungselementes 2 größer ist als der thermische Gradient dT1 innerhalb des ersten Verteilungselementes 1.
In den Schritten 1) und 3) werden das erste Verteilungselement 1 und das zweite Verteilungselement 2 bewusst mit unterschiedlichen thermischen Widerständen R1, R2 bereitgestellt, sodass im Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 die thermischen Gradienten dT1, dT2 innerhalb der Verteilungselemente 1, 2 sich unterscheiden können, wie dies unten in der 1 mit den Doppelpfeilen angedeutet ist.
Auf diese Weise kann der Wasserfluss und/oder Wärmefluss Q' durch die Membran-Elektroden-Einheit MEA von der Kathodenseite K zu der Anodenseite A der mindestens einen Brennstoffzelle 101 gezielt eingestellt werden.
Wie es die 1 mit einem Pfeil von der Kathodenseiten K zu der Anodenseite A zeigt, kann die Wärme Q und mithin das Produktwasser H2O vorteilhafterweise von der (in der Regel zu nassen) Kathodenseite K zur (zumeist zu trockenen) Anodenseite A verschoben werden, die häufig das überschüssige Wasser H2O noch gut aufnehmen kann.
Im Rahmen der Erfindung können der thermische Widerstand R1 des ersten Verteilungselementes 1 und der thermische Widerstand R2 des zweiten Verteilungselementes 2 durch Verändern, bspw. durch Testen und/oder durch Modellieren, von unterschiedlichen Eigenschaften λ1, λ2 der thermischen Leitfähigkeit λ des ersten Verteilungselementes 1 und/oder des zweiten Verteilungselementes 2 angepasst werden.
Ferner können der thermische Widerstand R1 des ersten Verteilungselementes 1 und der thermische Widerstand R2 des zweiten Verteilungselementes 2 durch Verändern, bspw. durch Testen und/oder durch Modellieren, von unterschiedlichen Dicken d1, d2 des ersten Verteilungselementes 1 und/oder des zweiten Verteilungselementes 2 angepasst werden.
Darüber hinaus können der thermische Widerstand R1 des ersten Verteilungselementes 1 und der thermische Widerstand R2 des zweiten Verteilungselementes 2 durch Variieren, bspw. durch Testen und/oder durch Modellieren, von unterschiedlichen Materialzusammensetzungen des ersten Verteilungselementes 1 und/oder des zweiten Verteilungselementes 2 angepasst werden.
Hierbei können die einzelnen ersten Verteilungselemente 1 und/oder die einzelnen zweiten Verteilungselemente 2 gleicher oder unterschiedlicher Art, umfassend: unterschiedliche Dicken, Materialzusammensetzungen und/oder Strukturen, verwendet werden.
Mit anderen Worten können das erste Verteilungselement 1 und das zweite Verteilungselement 2 unterschiedliche Eigenschaften λ1, λ2 der thermischen Leitfähigkeit A, unterschiedliche Dicken d1, d2, unterschiedliche Materialzusammensetzungen, unterschiedliche innere und/oder äußere Strukturen und/oder unterschiedliche Anzahlen an einzelnen ersten Verteilungselementen 1 und/oder an einzelnen zweiten Verteilungselementen 2 aufweisen.
Insbesondere kann das zweite Verteilungselement 2 eine höhere, vorzugsweise 5% bis 100% höhere, insbesondere 5% bis 20% höhere, bevorzugt 10% höhere, thermische Leitfähigkeit λ2 aufweisen als die thermische Leitfähigkeit λ1 des ersten Verteilungselementes 1.
Weiterhin kann das erste Verteilungselement 1 eine größere, vorzugsweise 5% bis 100% größere, insbesondere 5% bis 20% größere, bevorzugt 10% größere, Dicke d1 aufweisen als die Dicke d2 des zweiten Verteilungselementes 2.
Des Weiteren kann das erste Verteilungselement 1 eine höhere, vorzugsweise 5% bis 100% höhere, insbesondere 5% bis 20% höhere, bevorzugt 5% höhere, Porosität aufweisen als die Porosität des zweiten Verteilungselementes 2.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Herstellen, insbesondere zum Einstellen von Wasser- und/oder Wärmemanagementeigenschaften, eines Brennstoffzellensystems (100), mit mindestens einer Brennstoffzelle (101), aufweisend folgende Schritte: 4) Bereitstellen eines ersten Verteilungselementes (1) für einen sauerstoffhaltigen Reaktanten (O2) auf einer Kathodenseite (K) der mindestens einen Brennstoffzelle (101), 5) Bereitstellen einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA), und 6) Bereitstellen eines zweiten Verteilungselementes (2) für einen brennstoffhaltigen Reaktanten (H2) auf einer Anodenseite (A) der mindestens einen Brennstoffzelle (101), dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verteilungselement (1) mit einem höheren thermischen Widerstand bereitgestellt wird als der thermische Widerstand des zweiten Verteilungselementes (2), sodass im Betrieb des Brennstoffzellensystems (100) der thermische Gradient (dT2) innerhalb des zweiten Verteilungselementes (2) größer ist als der thermische Gradient (dT1) innerhalb des ersten Verteilungselementes (1).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Widerstand (R1) des ersten Verteilungselementes (1) und der thermische Widerstand (R2) des zweiten Verteilungselementes (2) durch Verändern von unterschiedlichen Eigenschaften (λ1, λ2) der thermischen Leitfähigkeit (A) des ersten Verteilungselementes (1) und/oder des zweiten Verteilungselementes (2) eingestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Widerstand (R1) des ersten Verteilungselementes (1) und der thermische Widerstand (R2) des zweiten Verteilungselementes (2) durch Variieren von unterschiedlichen Dicken (d1, d2) des ersten Verteilungselementes (1) und/oder des zweiten Verteilungselementes (2) eingestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Widerstand (R1) des ersten Verteilungselementes (1) und der thermische Widerstand (R2) des zweiten Verteilungselementes (2) durch Variieren von unterschiedlichen Materialzusammensetzungen des ersten Verteilungselementes (1) und/oder des zweiten Verteilungselementes (2) eingestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, der thermische Widerstand (R1) des ersten Verteilungselementes (1) und der thermische Widerstand (R2) des zweiten Verteilungselementes (2) durch Variieren von unterschiedlichen inneren und/oder äußeren Strukturen des ersten Verteilungselementes (1) und/oder des zweiten Verteilungselementes (2) eingestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Widerstand (R1) des ersten Verteilungselementes (1) und der thermische Widerstand (R2) des zweiten Verteilungselementes (2) durch Variieren von unterschiedlichen Anzahlen an einzelnen ersten Verteilungselementen (1) und/oder an einzelnen zweiten Verteilungselementen (2) eingestellt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass beim Variieren der Anzahlen der einzelnen ersten Verteilungselemente (1) und/oder der einzelnen zweiten Verteilungselemente (2) die einzelnen ersten Verteilungselemente (1) und/oder die einzelnen zweiten Verteilungselemente (2) gleicher oder unterschiedlicher Art, umfassend: unterschiedliche Dicken, Materialzusammensetzungen und/oder inneren und/oder äußeren Strukturen, verwendet werden.
Brennstoffzellensystem (100) mit mindestens einer Brennstoffzelle (101), aufweisend: ein erstes Verteilungselement (1) für einen sauerstoffhaltigen Reaktanten (O2) auf einer Kathodenseite (K) der mindestens einen Brennstoffzelle (101), eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA), und ein zweites Verteilungselement (2) für einen brennstoffhaltigen Reaktanten (H2) auf einer Anodenseite (A) der mindestens einen Brennstoffzelle (101), dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verteilungselement (1) einen höheren thermischen Widerstand aufweist als der thermische Widerstand des zweiten Verteilungselementes (2), sodass im Betrieb des Brennstoffzellensystems (100) der thermische Gradient (dT2) innerhalb des zweiten Verteilungselementes (2) größer ist als der thermische Gradient (dT1) innerhalb des ersten Verteilungselementes (1).
Brennstoffzellensystem (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verteilungselement (1) und das zweite Verteilungselement (2) unterschiedliche Eigenschaften (λ1, λ2) der thermischen Leitfähigkeit (λ), unterschiedliche Dicken (d1, d2), unterschiedliche Materialzusammensetzungen, unterschiedliche innere und/oder äußere Strukturen und/oder unterschiedliche Anzahlen an einzelnen ersten Verteilungselementen (1) und/oder an einzelnen zweiten Verteilungselementen (2) aufweisen.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Verteilungselement (2) eine höhere, vorzugsweise 5% bis 100% höhere, insbesondere 5% bis 20% höhere, bevorzugt 10% höhere, thermische Leitfähigkeit (λ2) aufweist als die thermische Leitfähigkeit (λ1) des ersten Verteilungselementes (1), und/oder dass das erste Verteilungselement (1) eine größere, vorzugsweise 5% bis 100% größere, insbesondere 5% bis 20% größere, bevorzugt 10% größere, Dicke (d1) aufweist als die Dicke (d2) des zweiten Verteilungselementes (2), und/oder dass das erste Verteilungselement (1) eine höhere, vorzugsweise 5% bis 100% höhere, insbesondere 5% bis 20% höhere, bevorzugt 5% höhere, Porosität aufweist als die Porosität des zweiten Verteilungselementes (2).