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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, mit deren Hilfe zum Beispiel Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt werden können.
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Die Brennstoffzelle umfasst hierzu eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) mit einer protonenleitenden Membran, die beidseits mit einem katalytisch aktiven Material zur Ausbildung von Elektroden beschichtet ist. Eine erste Elektrode dient als Anode, der im Betrieb der Brennstoffzelle ein erstes Reaktionsgas, beispielsweise Wasserstoff, zugeführt wird. Eine zweite Elektrode dient als Kathode, der im Betrieb der Brennstoffzelle ein zweites Reaktionsgas, beispielsweise Sauerstoff oder Luft, zugeführt wird. Die Zuführung der Reaktionsgase erfolgt jeweils über eine an die jeweilige Elektrode angrenzende Gasdiffusionslage (GDL), die üblicherweise aus einer Kohlefasermatte besteht, die elektrodenseitig mit einer mikroporösen Schicht (MPL) versehen ist. Zur Gasdiffusionslage gelangt das jeweilige Reaktionsgas über eine Gasverteilerstruktur, beispielsweise über eine zwischen zwei Brennstoffzellen angeordnete Bipolarplatte, die jeweils zellenseitig Kanäle ausbildet.
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Neben Gasdiffusionslagen mit einem mehrschichtigen Aufbau sind auch einschichtige Gasdiffusionslagen mit einem weitgehend homogenen Aufbau bekannt. Hierzu werden die Fasern und Partikel homogen gemischt und, beispielsweise mit Hilfe eines Binders, zu einer Gasdiffusionslage verbunden.
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Den verschiedenen Gasdiffusionslagen gemein ist eine offenporige Struktur, um die Versorgung der Brennstoffzelle mit einem Reaktionsgas sicherzustellen. Denn durch die offenporige Struktur können sich Gaspfade innerhalb der Gasdiffusionslage ausbilden, die sich von den zellenseitigen Kanälen der Bipolarplatte bis zur jeweiligen Elektrode der Membran-Elektroden-Anordnung erstrecken. Die Gaspfade können zudem in umgekehrter Richtung zum Abtransport von Wasser genutzt werden, das im Betrieb der Brennstoffzelle zwangsläufig anfällt. Hat das Wasser die Kanäle der Bipolarplatte erreicht, wird es durch die hohe Gasgeschwindigkeit in den zellenseitigen Kanälen in Form von Wasserdampf und/oder Tröpfchen mitgerissen und auf diesem Wege abtransportiert. Da insbesondere flüssiges Wasser die offenen Poren der Gasdiffusionslage zusetzen und damit die Gasversorgung der Brennstoffzelle beeinträchtigen kann, ist für einen schnellstmöglichen Abtransport von Wasser zu sorgen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, den Abtransport von Wasser über mindestens eine Gasdiffusionslage einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels zu optimieren. Insbesondere soll der Abtransport von flüssigem Wasser verbessert werden, um die offenporige Struktur der Gasdiffusionslage zur notwendigen Gasversorgung zu erhalten.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und der Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels werden mindestens zwei Brennstoffzellen aufeinandergelegt und durch eine Bipolarplatte voneinander getrennt. Dabei wird eine Bipolarplatte verwendet, die zumindest einseitig Kanäle ausbildet, die zur anliegenden Brennstoffzelle hin offen sind und durch eine offenporige Gasdiffusionslage der Brennstoffzelle abgedeckt werden, so dass mit Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels die Brennstoffzelle über die Kanäle und die offenporige Gasdiffusionslage mit einem Reaktionsgas versorgbar ist. Erfindungsgemäß wird vor Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels über die Kanäle der Bipolarplatte ein Hydrophilierungsmittel in die Gasdiffusionslage eingebracht und die Gasdiffusionslage in an die Kanäle angrenzenden Bereichen gezielt hydrophil eingestellt.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden vorhandene Gaspfade, die eigentlich der Gasversorgung der Brennstoffzelle dienen, zur bereichsweisen Hydrophilierung der Gasdiffusionslage genutzt. Das Hydrophilierungsmittel kann auf diese Weise gezielt in die Bereiche eingebracht werden, die der Gasversorgung dienen. Diese sind in Bezug auf die Gasdiffusionslage die unmittelbar an die Kanäle der Bipolarplatte angrenzenden Bereiche, das heißt die Bereiche, welche die Kanäle abdecken bzw. begrenzen und sich von hier aus zelleneinwärts erstrecken. Da die Hydrophilierung dieser Bereiche den Abtransport von Wasser fördert, können die Gaspfade weitgehend wasserfrei gehalten werden, so dass eine optimale Gasversorgung der Brennstoffzelle gesichert bleibt.
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Hinzu kommt, dass Bipolarplatten üblicherweise aus einem metallischen Werkstoff gefertigt werden. Die Kanäle werden somit von metallischen Flächen begrenzt, die aufgrund von Oberflächenoxiden stark hydrophil sind. Die Gasdiffusionslage ist dagegen aufgrund der üblicherweise enthaltenen Stoffe und/oder Additive, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PFTE), stark hydrophob. Durch die vorgeschlagene bereichsweise Hydrophilierung der Gasdiffusionslage ist nunmehr sichergestellt, dass die Kanäle allseitig von hydrophilen Flächen umgeben sind. Dies fördert den Abtransport von Wasser über die Kanäle.
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Bevorzugt wird die Gasdiffusionslage im Wesentlichen nur in den an die Kanäle angrenzenden Bereichen hydrophil eingestellt, wobei sich vorzugsweise die Bereiche von den Kanälen im Wesentlichen zelleneinwärts erstrecken. Das heißt, dass die Gasdiffusionslage in Bereichen, die nicht an einen Kanal, sondern an die Bipolarplatte angrenzen und somit in Kontakt mit der metallischen Oberfläche der Bipolarplatte stehen, nicht hydrophil eingestellt werden. Eine scharfe Trennlinie lässt sich dabei nicht realisieren, dennoch wechseln sich in der Gasdiffusionslage hydrophil eingestellte und nicht hydrophil eingestellte Bereiche ab. Letztere sind somit hydrophob und drängen das Wasser in Richtung der Kanäle der Bipolarplatte.
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Außerhalb der Kanäle an die Bipolarplatte angrenzende Bereiche der Gasdiffusionslage sind daher vorzugsweise hydrophob und werden auch hydrophob belassen. Um Wasseransammlungen in diesen Bereichen weiter entgegen zu wirken, kann die Oberfläche der Bipolarplatte im Kontaktbereich mit der Gasdiffusionslage eine hydrophobe Beschichtung aufweisen.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Gasdiffusionslage graduell hydrophil eingestellt wird, wobei in Einbringrichtung des Hydrophilierungsmittels der Grad der Hydrophilierung abnimmt, vorzugsweise kontinuierlich abnimmt. Die graduelle hydrophile Einstellung der Gasdiffusionslage führt zu einer den Abtransport von Wasser fördernden Triebkraft entlang des Gradienten in Richtung der Kanäle der Bipolarplatte. In Richtung der Kanäle nimmt demnach die Hydrophilie der Gasdiffusionslage zu.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein gasförmiges, flüssiges und/oder partikelförmiges Hydrophilierungsmittel verwendet werden. Dieses kann als Reinstoff, Stoffgemisch, Lösung und/oder Dispersion in die Gasdiffusionslage eingebracht werden.
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Das eingebrachte Hydrophilierungsmittel kann durch chemische Reaktion die gewünschte hydrophile Einstellung bewirken, ohne dass eine nachweisbare Substanz in der Zelle verbleibt. Alternativ kann das Hydrophilierungsmittel auf der offenporigen Struktur der Gasdiffusionslage physikalisch abgeschieden werden und durch seine Eigenschaften und seinen Verbleib in diesem Bereich die gewünschte Hydrophilierung bewirken.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird ein reaktives Gas, beispielsweise Ozon, Stickstoff oder ein reaktives kaltes Plasma, in die Gasdiffusionslage eingebracht. Als Hydrophilierungsmittel kann auch eine reaktive Flüssigkeit, beispielsweise Mineralsäure oder ein Oxidationsmittel, dienen. Alternativ oder ergänzend kann ein partikelförmiger Feststoff, wie beispielsweise Silicapartikel oder Zirkonoxidpartikel, als Hydrophilierungsmittel verwendet werden.
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Vorteilhafterweise werden Brennstoffzellen mit Gasdiffusionslagen verwendet, die im Wesentlichen homogen aufgebaut sind und vorzugsweise folgende Feststoffe enthalten:
- - Kohlenstofffasern,
- - Kohlenstoffpartikel, beispielsweise Graphit- und/oder Rußpartikel sowie
- - einen Polymerbinder, beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF).
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Der homogene Aufbau erleichtert die Durchführung des Verfahrens, da das Einbringen des Hydrophilierungsmittels leichter zu steuern ist. Insbesondere kann die Eindringtiefe des Hydrophilierungsmittels einfacher bestimmt werden.
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Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellenstapel zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagen. Dieser weist mindestens zwei aufeinanderliegende Brennstoffzellen auf, die durch eine Bipolarplatte voneinander getrennt sind. Die Bipolarplatte bildet dabei zumindest einseitig Kanäle aus, die zur anliegenden Brennstoffzelle hin offen sind und durch eine offenporige Gasdiffusionslage der Brennstoffzelle abgedeckt werden. Im Betrieb ist somit die Brennstoffzelle über die Kanäle und die offenporige Gasdiffusionslage mit einem Reaktionsgas versorgbar. Erfindungsgemäß ist die Gasdiffusionslage in an die Kanäle der Bipolarplatte angrenzenden Bereichen durch ein vor Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels eingebrachtes Hydrophilierungsmittel gezielt hydrophil eingestellt.
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Die Gasdiffusionslage, die bereichsweise gezielt hydrophil eingestellt ist, kann die anodenseitige oder die kathodenseitige Gasdiffusionslage der Brennstoffzelle sein. Vorzugsweise sind beide Gasdiffusionslagen der Brennstoffzelle in den genannten Bereichen gezielt hydrophil eingestellt. Somit kann in beiden Gasdiffusionslagen anfallendes Wasser schneller abtransportiert werden. Weiterhin vorzugsweise weisen alle Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels Gasdiffusionslagen auf, die in den genannten Bereichen gezielt hydrophil eingestellt sind. Auf diese Weise kann im ganzen Brennstoffzellenstapel der Abtransport von Wasser verbessert werden, so dass die der Gasversorgung der Brennstoffzellen dienenden Gaspfade in den Gasdiffusionslagen weitgehend frei von Wasser gehalten werden.
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Die Herstellung des vorgeschlagenen Brennstoffzellenstapels erfolgt vorzugsweise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Dieses ermöglicht eine gezielte Hydrophilierung der mindestens einen Gasdiffusionslage im Bereich der Gaspfade. Dabei werden die Gaspfade zur Einbringung des Hydrophilierungsmittels genutzt, und zwar vor der Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels. Das über die Gaspfade eingebrachte Hydrophilierungsmittel bewirkt eine Hydrophilierung der Gaspfade, beispielsweise durch eine chemische Reaktion der eingebrachten Substanz mit der Gasdiffusionslage oder durch physikalisches Abscheiden auf der Gasdiffusionslage. Im Übrigen kann der Brennstoffzellenstapel in herkömmlicher Weise hergestellt werden.
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Die gezielt hydrophil eingestellten Bereiche der mindestens einen Gasdiffusionslage erstrecken sich vorzugsweise von den Kanälen der Bipolarplatte zelleneinwärts. Das heißt, dass zwischen den hydrophil eingestellten Bereichen Bereiche verbleiben, die nicht hydrophil eingestellt sind. Hierbei handelt es sich insbesondere um Bereiche der Gasdiffusionslage, die -aufgrund des Fehlens eines Kanals- in direktem Kontakt mit der Bipolarplatte stehen. Die Bipolarplatte weist in diesen Bereichen Steg- oder Landbereiche auf, über welche die Kanäle voneinander getrennt werden. In den nicht gezielt hydrophil eingestellten Bereichen ist die Gasdiffusionslage vorzugsweise hydrophob. Dies hat den Effekt, dass in diesen Bereichen anfallendes Wasser in Richtung der Gaspfade gedrängt wird, so dass der Abtransport von Wasser gefördert wird.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Grad der Hydrophilierung der Gasdiffusionslage mit zunehmender Entfernung von den Kanälen abnimmt. Das heißt, dass mit zunehmender Eindringtiefe des Hydrophilierungsmittels die Wirkung des Hydrophilierungsmittels nachlässt. Auf diese Weise kann eine den Abtransport von Wasser unterstützende Treibkraft entlang des Gradienten geschaffen werden. Dieser Effekt kann dadurch gesteigert werden, dass außerhalb der Kanäle an die Bipolarplatte angrenzende Bereiche der Gasdiffusionslage hydrophob sind, insbesondere hydrophob belassen worden sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Brennstoffzelle für einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel und
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich einer Gasdiffusionslage, angrenzend an die Membran-Elektroden-Anordnung der Brennstoffzelle einerseits und an eine Bipolarplatte andererseits.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 schematisch dargestellte Brennstoffzelle 1 umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung 7 mit einer Membran 7.1, die beidseits mit einem katalytisch aktiven Material zur Ausbildung von Elektroden 7.2, 7.3 beschichtet ist. An jeder Elektrode 7.2, 7.3 liegt eine Gasdiffusionslage 4 mit einem weitgehend homogenen, offenporigen Aufbau an. An diesen wiederum liegen Bipolarplatten 2 zur Trennung der Brennstoffzelle 1 von benachbarten Brennstoffzellen 1 (nicht dargestellt) an. Die Bipolarplatten 2 bilden Kanäle 3 aus, die jeweils zellenseitig offen sind und nur durch die Gasdiffusionslagen 4 abgedeckt werden. Über die Kanäle 3 und die Gasdiffusionslagen 4 ist somit die Brennstoffzelle 1 mit den benötigten Reaktionsgasen versorgbar.
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Im Betrieb der Brennstoffzelle 1 wird über die Kanäle 3 der obenliegenden Bipolarplatte 2 Wasserstoff (H2) als ein erstes Reaktionsgas zugeführt, denn der obenliegende Bereich bildet eine Anode 8 der Brennstoffzelle 1 aus. Über die Kanäle 3 der untenliegenden Bipolarplatte 2 wird Sauerstoff (O2) als weiteres Reaktionsgas zugeführt. Der untenliegende Bereich bildet demnach eine Kathode 9 der Brennstoffzelle 1 aus. Wasserstoff und Sauerstoff werden in einer elektrochemischen Reaktion in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt.
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Wasser, das im Betrieb der Brennstoffzelle 1 anfällt, muss abtransportiert werden, da dieses die offenen Poren der Gasdiffusionslagen 4 zusetzen kann. Wird das Wasser nicht schnellstmöglich abtransportiert, ist die Gasversorgung der Brennstoffzelle 1 gefährdet. Das Wasser sammelt sich dabei in Form von Tropfen 11 in den Gasdiffusionslagen 4 an, und zwar im Bereich von Gaspfaden, über die das jeweilige Reaktionsgas zugeführt wird. Der Abtransport von Wasser erfolgt demnach idealerweise über diese Gaspfade, wobei die Transportrichtung der Einbringrichtung des Gases entgegengesetzt ist. In der 1 sind mittels Pfeile Wasserpfade 10 zum Abtransport von Wasser dargestellt, die mit den jeweiligen Gaspfaden zusammenfallen.
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Um den Abtransport von Wasser aus den Gasdiffusionslagen 4 zu verbessern, weist eine Brennstoffzelle 1 für einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel mindestens eine modifizierte Gasdiffusionslage 4 auf. Die Modifizierung erfolgt nicht bei der Herstellung der Brennstoffzelle, sondern bei der Herstellung des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung der Brennstoffzelle 1. Auf diese Weise können in nur einem Arbeitsgang eine Vielzahl von Brennstoffzellen 1 bzw. deren Gasdiffusionslagen 4 modifiziert werden.
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Zur Modifizierung wird vor der Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels ein Hydrophilierungsmittel in die mindestens eine Gasdiffusionslage 4 einer Brennstoffzelle 1 eingebracht. Die Einbringung erfolgt über die Kanäle 3 der mindestens einen Bipolarplatte 2. Das Hydrophilierungsmittel dringt über an die Kanäle 3 angrenzende Bereiche 5 der Gasdiffusionslage 4 in diese ein, so dass diese Bereiche 5 gezielt hydrophil eingestellt werden (siehe 2). Durch die Hydrophilierung der Bereiche 5 kann später im Betrieb des Brennstoffzellenstapels der Abtransport von Wasser optimiert werden. Die Hydrophilierung erfolgt dabei bevorzugt graduell, das heißt, dass je näher die Bereiche 5 an den Kanälen 3 liegen desto stärker werden sie hydrophil eingestellt. Die graduelle Hydrophilierung führt zu einem Gradienten, entlang dessen sich eine Treibkraft einstellt, welche die Tropfen 11 in Richtung der Kanäle 3 drängt. Zwischen den Bereichen 5 liegende Bereiche 6 der Gasdiffusionslage 4 sind vorzugsweise hydrophob, um den Effekt weiter zu verstärken.
