DE102021203040A1

DE102021203040A1 - Protonen-austausch-membran-brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102021203040A1
Application number: DE102021203040.8A
Authority: DE
Inventors: John F. Christensen; Jonathan Mailoa; Yelena Gorlin; Nathan P. Craig; Mordechai Kornbluth; Soo KIM; Karim Gadelrab
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2021-09-30
Also published as: CN113471465A; US20210305587A1; US11557768B2; KR20210122121A

Abstract

Eine Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran schließt eine Anoden-Katalysatorschicht, eine Kathoden-Katalysatorschicht, eine Protonen-Austausch-Membran, welche die Anoden-Katalysatorschicht von der Kathoden-Katalysatorschicht separiert, einen Sauerstoffeinlass, der so konfiguriert ist, dass er Sauerstoff an die Kathoden-Katalysatorschicht liefert, und einen Wasserstoffeinlass, welcher separat von dem Sauerstoffeinlass und so konfiguriert ist, um Wasserstoff an die Anoden-Katalysatorschicht zu liefern, ein. Die Brennstoffzelle ist dahingegen funktionsfähig, dass sie den Wasserstoff von dem Wasserstoffeinlass zu Wasserstoffionen an der Anoden-Katalysatorschicht umwandelt und ein H2O-Nebenprodukt an der Kathoden-Katalysatorschicht erzeugt, wobei der Sauerstoff mit den Wasserstoffionen reagiert. Die Brennstoffzelle schließt einen Wasserauslass für das H2O-Nebenprodukt, der von dem Sauerstoffeinlass separat ist, ein.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Protonen-Austausch-Membran Brennstoffzellen.
KURZFASSUNG
Die Erfindung sieht in einem Aspekt eine Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran, umfassend eine Anoden-Katalysatorschicht, eine Kathoden-Katalysatorschicht, eine Protonen-Austausch-Membran, welche die Anoden-Katalysatorschicht von der Kathoden-Katalysatorschicht separiert, einen Sauerstoffeinlass, der so konfiguriert ist, dass er Sauerstoff an die Kathoden-Katalysatorschicht liefert, und ein Wasserstoffeinlass, der separat von dem Sauerstoffeinlass und so konfiguriert ist, dass er Wasserstoff an die Anoden-Katalysatorschicht liefert, vor. Die Brennstoffzelle ist dahingehend funktionstüchtig, dass sie den Wasserstoff von dem Wasserstoffeinlass zu Wasserstoffionen an der Anoden-Katalysatorschicht umwandelt und ein H₂O-Nebenprodukt an der Kathoden-Katalysatorschicht erzeugt, wobei der Sauerstoff mit den Wasserstoffionen reagiert. Die Brennstoffzelle schließt ein Wasserauslass für das H₂O-Nebenprodukt, der von dem Sauerstoffeinlass separat ist, ein.
Die Erfindung sieht in einem anderen Aspekt eine Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran vor, umfassend eine Anoden-Katalysatorschicht, eine Kathoden-Katalysatorschicht, eine Protonen-Austausch-Membran, welche die Anoden-Katalysatorschicht von der Kathoden-Katalysatorschicht separiert, einen Sauerstoffeinlass, der so konfiguriert ist, dass er Sauerstoff an die Kathoden-Katalysatorschicht liefert, und einen Wasserstoffeinlass, der separat von dem Sauerstoffeinlass und so konfiguriert ist, dass er Wasserstoff an die Anoden-Katalysatorschicht liefert. Die Anoden-Katalysatorschicht, die Kathoden-Katalysatorschicht, der Sauerstoffeinlass und der Wasserstoffeinlass sind auf einer Seite der Protonen-Austausch-Membran positioniert.
Die Erfindung sieht in doch noch einem anderen Aspekt eine Protonen-Austausch-Membran-Brennstoffzelle vor, umfassend eine Anoden-Katalysatorschicht, eine Kathoden-Katalysatorschicht, einen Sauerstoffeinlass, der so konfiguriert ist, dass er Sauerstoff an die Kathoden-Katalysatorschicht liefert, ein Wasserstoffeinlass, welcher separat von dem Sauerstoffeinlass so konfiguriert ist, dass er Wasserstoff an die Anoden-Katalysatorschicht liefert, eine erste hydrophobe Schicht, welche zwischen der Anoden-Katalysatorschicht und dem Wasserstoffeinlass positioniert ist, eine zweite hydrophobe Schicht, welche zwischen der Kathoden-Katalysatorschicht und dem Sauerstoffeinlass positioniert ist, und einen Ablass für hydrophiles Wasser, der so positioniert ist, dass er ein H₂O-Nebenprodukt aufnimmt, das an der Kathoden-Katalysatorschicht erzeugt wird, durch die Protonen-Austausch-Membran.
Figurenliste

Die 1 ist eine Schemaskizze einer Protonen-Austausch-Membran (PEM)-Brennstoffzelle des Stands der Technik mit Wasserablass durch das Luftstromfeld.
Die 2 ist eine Schemaskizze einer Interdigitated bzw. verschränkten Rückkontakt-PEM Brennstoffzelle.
Die 3 ist eine schematische Back-to-back- bzw. Rücken-an-Rücken-Anordnung von mehreren Brennstoffzellen der 2.
Die 4 ist eine Schemaskizze eines ersten Fertigungs-Workflows der Brennstoffzelle der 2.
Die 5 ist eine Schemaskizze eines zweiten Fertigungs-Workflows der Brennstoffzelle der 2.
Die 6 ist eine Schemaskizze einer Interdigitated bzw. verschränkten Rückkontakt-PEM Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Die 7 ist eine Schemaskizze eines ersten Fertigungs-Workflows der Brennstoffzelle der 6.
Die 8 ist eine Schemaskizze eines zweiten Fertigungs-Workflows der Brennstoffzelle der 6.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bevor irgendwelche Ausführungsformen der Erfindung im Detail erläutert werden, versteht es sich, dass die Erfindung nicht in ihrer Anwendung auf die Details der Konstruktion und der Anordnung von Komponenten, die in der nachstehenden Beschreibung dargelegt oder in den nachstehenden Zeichnungen veranschaulicht werden, beschränkt ist. Die Erfindung ist zu anderen Ausführungsformen imstande und kann in die Praxis umgesetzt werden oder auf verschiedenen Wegen durchgeführt werden.
Die 1 veranschaulicht eine Brennstoffzelle 10 im Stand der Technik und insbesondere eine Protonen-Austausch-Membran 34 (PEM)-Brennstoffzelle 10. Die Brennstoffzelle 10 schließt Elektroden 12, 14, einen Wasserstoff-Zuführkanal 16,16 und einen Sauerstoff-Zuführkanal 18, separiert von dem Wasserstoff-Zuführkanal 16 durch einen fünf Schichten umfassenden Brennstoffzellenstapel 22, ein.
Der erste und die zweite Schicht des Brennstoffzellenstapels 22 sind Gasdiffusionsschichten 24, 26 (GDL) und sind benachbart zu dem Wasserstoff-Zuführkanal 16 bzw. dem Sauerstoff-Zuführkanal 18 angeordnet. Die Gasdiffusionsschichten 24, 26 bestehen aus einem porösen Material auf Kohlefaserbasis und sehen Bahnen für die Stromabnahme vor. Die dritte Schicht ist eine Anoden-Katalysatorschicht 28 (ACL). Die Anoden-Katalysatorschicht 28 ist benachbart zu der ersten Gasdiffusionsschicht 24 angeordnet, so dass die erste Gasdiffusionsschicht 24 zwischen der Anoden-Katalysatorschicht 28 und dem Wasserstoff-Zuführkanal 16 angeordnet ist. Ein Katalysator bewirkt, dass der Brennstoff Oxidationsreaktionen unterworfen wird, die positiv geladene Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen an der Anoden-Katalysatorschicht 28 erzeugen. Die Oxidationsreaktion kann durch H₂ → 2H⁺ + 2e^- angegeben werden.
Die vierte Schicht ist eine Kathoden-Katalysatorschicht 30 (CCL). Die Kathoden-Katalysatorschicht 30 ist benachbart zu der zweiten Gasdiffusionsschicht 26 angeordnet, so dass die zweite Gasdiffusionsschicht 26 zwischen der Kathoden-Katalysatorschicht 30 und dem Sauerstoff-Zuführkanal 18 angeordnet ist. Die Wasserstoffionen reagieren mit dem Sauerstoff von dem Sauerstoff-Zuführkanal 18 an der Kathoden-Katalysatorschicht 30 unter Erzeugung von Wassermolekülen. Die Reaktion an der Kathoden-Katalysatorschicht 30 kann angegeben werden durch O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O.
Die fünfte Schicht ist eine Protonen-Austausch-Membran 34 (PEM), die zwischen der Anoden-Katalysatorschicht 28 und der Kathoden-Katalysatorschicht 30 positioniert ist. Die Protonen-Austausch-Membran 34 leitet Wasserstoffionen durch diese hindurch (von der Anoden-Katalysatorschicht 28 zu der Kathoden-Katalysatorschicht 30), verhindert aber, dass Elektronen durch diese hindurch passieren. Deshalb ist die Gesamtanordnung der Brennstoffzelle 10 von 1 in geschichteter Reihenfolge, der Wasserstoff-Zuführkanal 16 und die Elektrode 12, die erste Gasdiffusionsschicht 24, die Anoden-Katalysatorschicht 28, die Protonen-Austausch-Membran 34, die Kathoden-Katalysatorschicht 30, die zweite Gasdiffusionsschicht 26 und dann der Sauerstoff-Zuführkanal 18 und die Elektrode 14. Zusätzliche Schichten, die verschiedenen Funktionen innerhalb der Brennstoffzelle 10 dienen, können zwischen den oben beschriebenen fünf Schichten eingestreut sein. Die in den Zeichnungen gezeigten Schichten sind nicht maßstabsgetreu dargestellt.
Der Betrieb der Brennstoffzelle 10, die in der 1 gezeigt ist und weiter oben beschrieben wird, führt zu einem Wassermolekülnebenprodukt, das einen Auslass von dem Brennstoffzellenstapel 22 erfordert. Oft wird das Wasser zu dem Sauerstoff-Zuführkanal 18 geleitet. Wenn die Brennstoffzelle 10 mit einer erhöhten Leistungsdichte arbeitet, erfordert der Betrieb der Brennstoffzelle 10 eine Erhöhung der Wasserstoff- und Sauerstoff-Zufuhren durch die jeweiligen Zuführkanäle 16, 18, wodurch ein größerer Wasser-Output produziert wird. Die erhöhte Menge an Wasser, die durch diesen elektrochemischen Prozess produziert wird, kann zu einem Sauerstoffmangel führen, wo die Wassermoleküle den Sauerstoff-Zuführkanal 18 blockieren, was die Menge an Sauerstoffzufluss in die Zelle 10 begrenzt. Ähnliche Massentransportbeschränkungen können auch innerhalb der zweiten Gasdiffusionsschicht 26 und innerhalb der Kathoden-Katalysatorschicht 30 auftreten. Sauerstoffmangel kann auch zu einer herabgesetzten Lebensdauer der Brennstoffzelle 10 beitragen.
Die 2 veranschaulicht eine Schemaskizze einer Brennstoffzelle 110 und insbesondere einer Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die Sauerstoffmangel innerhalb der Brennstoffzelle 110 verhindert oder beschränkt. Die Brennstoffzelle 110 schließt Wasserstoff- und Sauerstoff-Zuführkanäle 116, 118 und fünf interne Schichten, ähnlich denjenigen der in der 1 gezeigten Brennstoffzelle 10, ein, obwohl die Anordnung der Schichten modifiziert ist. Der Wasserstoff-Zuführkanal 116 und der Sauerstoff-Zuführkanal 118 sind beide auf derselben Seite (d. h. einer ersten Seite) der Brennstoffzelle 110 angeordnet, und nicht auf gegenüberliegenden Seiten, wie in der 1 gezeigt. Ferner sind sowohl die Gasdiffusionsschichten 124, 126, die Anoden-Katalysatorschicht 128 als auch die Kathoden-Katalysatorschicht 130 alle zwischen der Protonen-Austausch-Membran 134 und den Zuführkanälen 116, 118 angeordnet.
Die Brennstoffzelle 110 ist mit einer Interdigitated- bzw. verschränkten Anordnung konstruiert, in der eine Vielzahl von Separatoren 138 sich durch die Schichten der Brennstoffzelle 110 hindurch erstreckt, wobei die erste Seite der Brennstoffzelle 110 in mehrere Abschnitte 140, 142 separiert wird. Wie gezeigt, erstrecken sich die Separatoren 138 zwischen Elektroden 112, 114 und Zuführkanälen 116, 118 und durch die Gasdiffusionsschichten 124, 126, hydrophoben mesoporösen Schichten 146, 148 (ausführlicher weiter unten beschrieben) und die Katalysatorschichten 128, 130. Die Separatoren 138 erstrecken sich nicht durch die Protonen-Austausch-Membran 134. Die Separatoren 138 fungieren als Trennwände, um die Brennstoffzellenschichten von benachbarten Abschnitten 140, 142 zu separieren und um ein Fließen von Molekülen (Wasserstoff, Sauerstoff, Wasser), Protonen (Wasserstoffionen) und Elektronen durch den Separator 138 zu verhindern. Jeder von den Separatoren 138 erstreckt sich entlang einer Stapelrichtung der Brennstoffzellenschichten.
Ein erster Abschnitt 140, der zwischen benachbarten Separatoren 138 definiert ist, schließt den Wasserstoff-Zuführkanal 116, die erste Gasdiffusionsschicht 124 und die Anoden-Katalysatorschicht 128 ein. Ein zweiter Abschnitt 142, der zwischen benachbarten Separatoren 138 definiert ist, schließt den Sauerstoff-Zuführkanal 118, die zweite Gasdiffusionsschicht 126 und die Kathoden-Katalysatorschicht 130 ein. Die ersten und zweiten Abschnitte 140, 142 sind benachbart zueinander angeordnet, separiert voneinander in einer lateralen Richtung (senkrecht zu der Stapelrichtung der Schichten) durch einen Separator 138. Der Separator 138 endet an der Protonen-Austausch-Membran 134, so dass die ersten und zweiten Abschnitte 140, 142 miteinander über die Protonen-Austausch-Membran 134 verbunden sind. Die Protonen-Austausch-Membran 134 sieht einen lateralen Pfad für das Fließen von Molekülen, Protonen und Elektronen zwischen den ersten und zweiten Abschnitten 140, 142 vor. Ein Muster von alternierenden ersten und zweiten Abschnitten 140, 142 kann sich über die Breitenrichtung der Brennstoffzelle 110 wiederholen. Da die Separatoren 138 an der Protonen-Austausch-Membran 134 enden, wird die Protonen-Austausch-Membran 134 nicht in Breitenabschnitte aufgebrochen, die den sich wiederholenden ersten und zweiten Abschnitten 140, 142 entsprechen, sondern ist eine Einzelschicht, die sich über mehrere Abschnitte 140, 142 und mehrere Separatoren 138 hinweg erstreckt.
Die Brennstoffzelle 110 der 2 schließt ferner weitere Schichten ein, die nicht in der in der 1 gezeigten Brennstoffzelle 10 eingeschlossen sind. Eine erste hydrophobe mesoporöse Schicht 146 (MPL) ist zwischen der ersten Gasdiffusionsschicht 124 und der Anoden-Katalysatorschicht 128 innerhalb der ersten Abschnitte 140 angeordnet. Eine zweite hydrophobe mesoporöse Schicht 148 ist zwischen der zweiten Gasdiffusionsschicht 126 und der Kathoden-Katalysatorschicht 130 in dem zweiten Abschnitt 142 angeordnet. Die hydrophoben mesoporösen Schichten 146, 148 verhindern, dass Wasser hindurchtritt. Da Wasser hauptsächlich innerhalb der Brennstoffzelle 110 an der Kathoden-Katalysatorschicht 130 erzeugt wird (als ein Nebenprodukt), verhindern die hydrophoben Schichten 146, 148, dass Wasser den Sauerstoff-Zuführkanal 118 und den Wasserstoff-Zuführkanal 116 erreicht.
Die Brennstoffzelle 110 schließt ferner eine Gasabdeckungsschicht 150 ein, die an die Elektroden 112, 114 und die Separatoren 138 angrenzt, um den Stapel 122 zu vollenden. Die Gasabdeckungsschicht 150 ist ein elektrischer Isolator und ein Wärmeleiter, der einen Kühlmittelstrom 152 (extern zu dem Brennstoffzellenstapel 122) ermöglicht, um die Temperatur der Brennstoffzelle 110 zu regeln.
Das Wasser, das durch den chemischen Prozess innerhalb der Brennstoffzelle 110 erzeugt wird, wird von der Brennstoffzelle 110 abgelassen, es fehlen aber die Ablassoptionen der Brennstoffzelle 10 der 1, da die hydrophoben Schichten 146, 148 verhindern, dass Wasser die Zuführkanäle 116, 118 erreicht. Ein Ablass für hydrophiles Wasser 154 (Wasserablass-Kapillarkanal) ist in der Brennstoffzelle 110 auf der Protonen-Austausch-Membran 134, auf einer Seite der Protonen-Austausch-Membran 134 gegenüberliegend zu derjenigen der geschichteten Abschnitte 140, 142, vorgesehen, um einen Ausgang oder Ablass für das Wassernebenprodukt vorzusehen. Der Ablass für hydrophiles Wasser 154 sieht auch einen mechanischen Träger vor. Wasser sickert aus der Protonen-Austausch-Membran 134 durch die mikroporöse Struktur des Kapillarwasserablasskanals 154. Wasser kann von den Enden des Ablasskanals 154 entfernt werden durch Trocknen, Erwärmen, Verdampfen, Pumpen, Adsorbieren oder Absorbieren des Wassers.
Die Schichten der Brennstoffzelle 110 werden nicht maßstabsgetreu präsentiert, sondern sind mit einer übertriebenen Dicke der Klarheit halber dargestellt. Die Protonen-Austausch-Membran 134 hat eine Dicke von ungefähr 20 Mikron (z. B. 20 Mikron, 15 - 25 Mikron, 10 - 30 Mikron), und die Gasdiffusionsschichten 124, 126 haben eine Dicke von ungefähr 200 - 500 Mikron. Die Anoden- und Kathoden-Katalysatorschichten 128, 130 sind Nanopartikel- und/oder Polymerlösungen, die auf die Gasdiffusionsschichten 124, 126 oder Protonen-Austausch-Membran 134 aufgebracht sind, wobei ein durchgehendes Porennetzwerk beim Trocknen etabliert wird.
Im Betrieb wird Wasserstoff (H₂) in die ersten Abschnitte 140 von dem Wasserstoff-Zuführkanal 116 geliefert, durch die erste Gasdiffusionsschicht 124 und die erste hydrophobe Schicht 146 und zu der Anoden-Katalysatorschicht 128. Der Wasserstoff wird einer chemischen Reaktion unterworfen, wobei der Wasserstoff (H₂) zu Wasserstoffionen (H⁺) und Elektronen (e^-) umgewandelt wird. Die Wasserstoffionen werden durch die Protonen-Austausch-Membran 134, lateral um den Separator 138 herum und zu der Kathoden-Katalysatorschicht 130 geleitet. Gleichzeitig wird Sauerstoff (O₂) in die zweiten Abschnitte 142 von dem Sauerstoff-Zuführkanal 118 geliefert, durch die zweite Gasdiffusionsschicht 126 und zweite hydrophobe Schicht 148 hindurch und zu der Kathoden-Katalysatorschicht 130. Der Sauerstoff (O₂) an der Kathoden-Katalysatorschicht 130 reagiert mit den Wasserstoffionen (H⁺) unter Erzeugung von Wassermolekülen (H₂O). Das Wasser wird von den Zuführkanälen 116, 118 durch die hydrophoben Schichten 146, 148 weggeleitet und passiert stattdessen durch die Protonen-Austausch-Membran 134 zu dem Ablass für hydrophiles Wasser 154. Der Einfachheit halber sind Pfeile, die das Fließen von Molekülen und Ionen veranschaulichen, lediglich in Bezug auf ein einzelnes Paar von Abschnitten 140, 142 gezeigt, obwohl ähnliche Reaktionen an allen Stellen entlang der lateralen Breite der Brennstoffzelle 110 stattfinden.
Da das Wasser nicht durch die ersten und zweiten hydrophoben Schichten 146, 148 hindurchfließen kann und ansonsten mit einem alternativen Ablass ausgestattet ist, werden die Einlasskanäle 116, 118 (und spezifisch die Sauerstoffeinlässe 116) und Gasdiffusionsschichten 124, 126 nicht durch Wassermoleküle blockiert, wodurch ein Sauerstoffmangel innerhalb der Brennstoffzelle 110 eliminiert oder begrenzt wird. Darüber hinaus, weil die Elektroden 112, 114 sich auf derselben Seite der Membran 134 befinden, treten Verschlechterungen der Brennstoffzelle, die infolge des Durchschlagens der Membran auftreten können (Gasübertritt, Kurzschließen) mit geringerer Wahrscheinlichkeit auf, weil Protonen- und Massentransport lateral auftreten kann, und nicht entlang der Brennstoffzellenschichtung oder Stapelrichtung.
Die 3 veranschaulicht eine Anordnung ähnlich der 2 mit zwei Brennstoffzellen 110, die unabhängige Brennstoffzellenstapel aufweisen, in einer Rücken-an-Rücken-Anordnung, mit einem einzelnen geteilten Ablass für hydrophiles Wasser 154. In einigen Ausführungsformen weist jede Brennstoffzelle 110 ihren eigenen Wasserablass 154 auf, so dass zwei Wasserablässe 154 zusammengebracht oder miteinander verbunden werden, die als ein einzelner zentraler Wasserablass 154 für die Anordnung von paarweisen bzw. gekoppelten Brennstoffzellen 110 fungieren.
Die 4 und 5 veranschaulichen Fertigungs-Workflows für die Herstellung der in der 2 veranschaulichten Brennstoffzellenstruktur. Der in der 4 gezeigte Prozess beginnt mit der Zusammenstellung einer anfänglichen Gasdiffusionsschicht 158, einer anfänglichen hydrophoben Schicht 160, einer anfänglichen Katalysatorschicht 162 und der Protonen-Austausch-Membran 134 zu einer gestapelten Konfiguration. Vor allem die in der 4 gezeigte Anordnung ist umgedreht im Verhältnis zu der gestapelten Anordnung, die in der 2 gezeigt ist. Wie gezeigt, ist sowohl die anfängliche Gasdiffusionsschicht 158 als auch die anfängliche hydrophobe Schicht 160 als Einzelschichten ausgebildet. Der Stapel 122 wird laserstrukturiert, um die einzelne Gasdiffusionsschicht 158 in getrennte Reihen zu separieren, die die ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 124,1 26 einschließen. Das Laserstrukturieren separiert ferner die hydrophobe Schicht 160 in die ersten und zweiten hydrophoben Schichten 146, 148 und separiert die anfängliche Katalysatorschicht 162 in die Anoden-Katalysatorschicht 128 und die Kathoden-Katalysatorschicht 130 entlang der gleichen getrennten Reihen als die Gasdiffusionsschichten 124, 126. Das Laserstrukturieren separiert nicht die Protonen-Austausch-Membran 134. Die durch das Laserstrukturieren erzeugten Zwischenräume 164 werden durch Abscheiden von Epoxyharz darin gefüllt. Das Epoxyharzmaterial erstarrt unter Bildung der Separatoren 138, die zum räumlichen Separieren der verschränkten Schichten verwendet werden. Finger-Elektroden 112, 114 werden dann zwischen den Separatoren 138 durch Siebdruck aufgebracht, und die Gasabdeckungsschicht 150 wird über den Elektroden 112, 114 zur Vollendung des Stapels 122 hinzugefügt.
Wie in der 3 gezeigt, können zwei von den Stapeln 122 Rücken an Rücken gesetzt werden, separiert durch den Ablass für hydrophiles Wasser 154. Die Bildung des zweiten Stapels 122 kann im Wesentlichen dieselbe sein wie bei dem ersten Stapel 122, obwohl der gleiche Wasserablass 154 wiederverwendet wird.
Die 5 veranschaulicht einen Fertigungs-Workflow, der sich von dem in der 4 gezeigten Workflow unterscheidet. Der in der 4 gezeigte Workflow macht von einer anfänglichen Katalysatorschicht 162 Gebrauch, die in Anoden- und Kathoden-Katalysatorschichten 128, 130 aufgeteilt ist, so dass die Anoden- und Kathoden-Katalysatorschichten 128, 130 aus demselben Material bestehen. Der in der 5 gezeigte Workflow sieht eine Anordnung vor, die ein erstes Material für die Anoden-Katalysatorschicht 128 verwenden kann und ein zweites unterschiedliches Material für die Kathoden-Katalysatorschicht 130.
In der 5 wird Epoxyharz auf der Protonen-Austausch-Membran 134 abgeschieden, und zwar durch eine solide Maske mit Lückenstruktur 166, die aus Metall und/oder Kunststoff hergestellt ist. Das abgeschiedene Epoxy bildet die Separatoren 138. Die Epoxy-Separatoren 138 können vor dem Entfernen der Maske 166 UV-gehärtet werden, da die Epoxy-Separatoren 138 vermutlich ein hohes Aspektverhältnis haben (z.B. größer als 2:1, Höhe zu Breite). Die 5 veranschaulicht rechteckige Separatoren 138, jedoch können die Separatoren abgeschrägte Seitenoberflächen haben, was zu einer Trapezform führt (d. h. gebildet mit einer trapezförmigen Maskengeometrie), um zusätzliche Stabilität zu verleihen angesichts des hohen Aspektverhältnisses des Separator 138. Alternativ kann die Protonen-Austausch-Membran 134 selbst so gefertigt sein, um diese Separatorrillen zu haben. Nachdem die Maske 166 entfernt wurde, werden die Kathoden-Katalysatorschicht 130 und die Anoden-Katalysatorschicht 128 separat durch Siebdruck in die verschiedenen Abschnitte 140, 142 zwischen den Separatoren 138 aufgebracht. Separates Siebdrucken der Anoden- und Kathoden-Katalysatorschichten 128, 130 ermöglicht ein unabhängiges Feinabstimmen der Katalysatorbeladung in den Schichten 128, 130. Zum Beispiel kann es vorteilhaft sein, die Kathoden-Katalysatorschicht 130 mit einer höheren Pt-Katalysatorbeladung auszustatten als die Anoden-Katalysatorschicht 128. Nachdem die Anoden- und Kathoden-Katalysatorschichten 128, 130 an ihrer Position sind, werden die hydrophoben Schichten 146, 148 und Gasdiffusionsschichten 124, 126 auf die Anoden- und Kathoden-Katalysatorschichten 128, 130 in den Separatorzwischenräumen 164 abgeschieden. Die letzten Schritte sind ähnlich wie diejenigen der 4. Die positiven und negativen Finger-Elektroden 112, 114 werden in die Mitte der Zwischenräume 164 durch Siebdruck aufgebracht, gefolgt von der Platzierung einer Gasabdeckungsschicht 150.
Die 6 veranschaulicht eine Brennstoffzelle 210 gemäß einer anderen Ausführungsform. Die Brennstoffzelle 210 ist ähnlich zu der in der 2 gezeigten Brennstoffzelle 110, die ähnliche Elemente mit ähnlichen Referenzziffern aufweist, mit einer Zunahme von 100. Im Gegensatz zu der Brennstoffzelle 110, die eine parallele Konfiguration der Elektroden 112, 114 verwendete, verwendet die Brennstoffzelle 210 eine Serienkonfiguration der Elektroden 212, 214, in der positive und negative Elektroden 212, 214 von jedem Segment geteilt werden und nur die Wasserstoff- und Sauerstoff-Zuführkanäle 216, 218 separiert sind.
In der in der 6 gezeigten Anordnung ist die Protonen-Austausch-Membran in mehrere getrennte Membranen 234 geteilt, wobei jede Protonen-Austausch-Membran 234 mit einem benachbarten Paar von Abschnitten 240, 242 verbunden ist. Das Teilen der Protonen-Austausch-Membran 234 kann ein Ionenleitungs-Kurzschließen verhindern (oder begrenzen). Ferner sind die Separatoren 236, 238 voneinander versetzt (in der Schichtungsrichtung) in einem Wiederholungsmuster. Ein erster Separator 236 erstreckt sich zwischen den Wasserstoff- und Sauerstoff-Zuführkanälen 216, 218 und endet an der Protonen-Austausch-Membran 234, in ähnlicher Weise wie die in der 2 gezeigten Separatoren 138. Ein zweiter Separator 238 ist von der Gasabdeckungsschicht 250 beabstandet, wodurch eine Verbindung zwischen den benachbarten Elektroden 212, 214 ermöglicht wird. Der zweite Separator 238 erstreckt sich durch die Protonen-Austausch-Membran 234, die am Ablass für hydrophiles Wasser 254 endet. Die ersten und zweiten Separatoren 236, 238 alternieren entlang der lateralen Richtung. Die Protonen-Austausch-Membran 234 und Abschnitte 240, 242 sind daher getrennt, aber serpentinartig miteinander verbunden, was eine kontinuierliche laterale Leitung für die Wasserstoffionen (Protonen) und die Elektronen erlaubt. Die in der 6 gezeigte Serienanordnung ermöglicht größere Zellen 210, unter gleichzeitiger Begrenzung von elektrischen Verlusten, da die Anordnung nicht Strom durch lange und dünne Elektrodenfinger abnimmt.
Die 7 und 8 veranschaulichen Fertigungs-Workflows für die Herstellung der in der 6 veranschaulichten Brennstoffzellenstruktur. Der in der 7 gezeigte Prozess ähnelt dem in der 4 gezeigten Prozess, obwohl er bezogen auf die Unterschiede zwischen den Brennstoffzellen 110, 210 variiert. Zuerst werden eine anfängliche Gasdiffusionsschicht 258, eine anfängliche hydrophobe Schicht 260, eine anfängliche Katalysatorschicht 262 und die Protonen-Austausch-Membran 234 zu einer gestapelten Konfiguration angeordnet. Der Stapel 222 wird mittels Laserstrukturierung geschnitten zur Erzeugung von eigenständigen Reihen und Zwischenräumen 264 zwischen diesen für die Separatoren 236, 238. Im Unterschied zur 4 schneidet in der 7 die Laserstrukturierung auf unterschiedliche Tiefen in einem sich wiederholenden Muster, so dass ein erster Zwischenraum 264a sich nur durch die anfängliche Gasdiffusionsschicht 258, die anfängliche hydrophobe Schicht 260 und die anfängliche Katalysatorschicht 262 erstreckt und ein zweiter Zwischenraum 264b sich durch die Protonen-Austausch-Membran 234 zusätzlich zu diesen drei Schichten 258, 260, 262 erstreckt. Die Brennstoffzelle 210 schließt ein sich wiederholendes Muster von ersten und zweiten Zwischenräumen 264a, 264b ein, so dass die Protonen-Austausch-Membran 234 jeden ersten Zwischenraum 264a überbrückt. Epoxyharz wird in den Zwischenräumen 264 abgeschieden, um die Separatoren 236, 238 zu definieren. Wie gezeigt, erstreckt sich der Separator 236 innerhalb des zweiten Zwischenraums 264b über der Gasdiffusionsschicht 258, die das Trennen der Wasserstoff- und Sauerstoff-Zuführkanäle 216, 218 unterstützt. Die Herstellung der Separatoren 236, 238 kann Masken (nicht gezeigt) ähnlich denjenigen, die mit Bezug auf die 5 beschrieben werden, verwenden. Nachdem die Separatoren 236, 238 an ihrer Position sind, werden die Elektroden dann zwischen den Separatoren 236, 238 durch Siebdruck aufgebracht und eine Gasabdeckungsschicht 250 wird über den Elektroden 212, 214 hinzugefügt, um den Stapel 222 zu vollenden. Die Gasabdeckungsschicht 250 ist gegenüber den Separatoren 236, 238 luftdicht, um ein Mischen des Brennstoffs in der lateralen Richtung zu verhindern.
Die 8 veranschaulicht einen Fertigungs-Workflow, der ungefähr eine Umkehr des in der 7 gezeigten Fertigungsprozesses ist. In diesem Fertigungs-Workflow ist die Basis oder der Ausgangspunkt der Anordnung die Gasabdeckungsschicht 250, auf welche die Elektroden 212, 214 durch Siebdruck aufgebracht werden. Die anfängliche Gasdiffusionsschicht 258 und die anfängliche hydrophobe Schicht 260 werden auf die Elektroden 212, 214 darübergelegt. Die Anoden-Katalysatorschichten 228 und die Kathoden-Katalysatorschichten 230 werden auf den Stapel 222 durch Siebdruck aufgebracht, insbesondere über der hydrophoben Schicht 260. Der Stapel 222 wird mittels Laserstrukturierung geschnitten, die an der Gasabdeckungsschicht 250 endet, wodurch die Zwischenräume 264a für die Separatoren 236 vorgesehen werden, die sich nicht durch die Protonen-Austausch-Membran 234 erstrecken. Diese Zwischenräume 264a sind mit den Epoxy-Separatoren 236 ausgefüllt. Die Protonen-Austausch-Membran 234 wird dann auf den Stapel 222 aufgebracht. Zusätzliche Zwischenräume 264b werden durch die Protonen-Austausch-Membran 234, die Katalysatorschicht 228, 230, die hydrophobe Schicht 260 und die Gasdiffusionsschicht 258 mittels Laserstrukturierung gebildet, wobei diese Zwischenräume 264b mit der Elektrode 212, 214 ausgerichtet sind und an dieser enden. Die Zwischenräume 264b werden dann mit den Epoxy-Separatoren 238 mittels eines der Verfahren, die mit Bezug auf die 4, 5 oder 7 beschrieben werden, ausgefüllt.
Sowohl Parallel- als auch Serienkonfigurationen stehen für die Brennstoffzellen 110, 210 wie in den Figuren gezeigt und weiter oben beschrieben zur Verfügung. Ferner können weitere Brennstoffzellen-Designs eine Kombination der zwei Konfigurationen durch entsprechendes Mustern der Separatoren 138, 236, 238 und Schichtabscheidungen verwenden. Ferner können diese Konfigurationen als ein kontinuierlicher Prozess (ähnlich der Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung) erstellt werden, anstatt eines Serienfertigungsverfahrens.
Verschiedene Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ansprüchen dargelegt.

Claims

Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran, umfassend: eine Anoden-Katalysatorschicht; eine Kathoden-Katalysatorschicht; eine Protonen-Austausch-Membran, welche die Anoden-Katalysatorschicht von der Kathoden-Katalysatorschicht separiert; einen Sauerstoffeinlass, der so konfiguriert ist, um Sauerstoff an die Kathoden-Katalysatorschicht zu liefern; und einen Wasserstoffeinlass, der separat von dem Sauerstoffeinlass und so konfiguriert ist, dass er Wasserstoff an die Anoden-Katalysatorschicht liefert; wobei die Brennstoffzelle dergestalt funktionsfähig ist, dass sie den Wasserstoff von dem Wasserstoffeinlass zu Wasserstoffionen an der Anoden-Katalysatorschicht umwandelt und ein H₂O-Nebenprodukt an der Kathoden-Katalysatorschicht produziert, wobei der Sauerstoff mit den Wasserstoffionen reagiert, und wobei die Brennstoffzelle ein Wasserauslass für das H₂O-Nebenprodukt einschließt, der von dem Sauerstoffeinlass separat ist.
Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran von Anspruch 1, wobei der Wasserauslass von dem Wasserstoffeinlass separat ist.
Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran von Anspruch 1, wobei der Wasserauslass ein Ablass für hydrophiles Wasser ist.
Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran von Anspruch 1, ferner umfassend eine hydrophobe Schicht, die so zwischen dem Sauerstoffeinlass und der Kathoden-Katalysatorschicht positioniert ist, dass Sauerstoff von dem Sauerstoffeinlass konfigurationsmäßig durch die hydrophobe Schicht geleitet wird, bevor er die Kathoden-Katalysatorschicht erreicht.
Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran von Anspruch 1, ferner umfassend einen Separator, der lateral zwischen der Anoden-Katalysatorschicht und der Kathoden-Katalysatorschicht positioniert ist, wobei eine laterale Richtung so definiert ist, dass sie senkrecht zu einer Stapelrichtung der Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran verläuft und wobei der Separator den Durchgang des Wasserstoffs, der Wasserstoffionen, des Sauerstoffs und des H₂O-Nebenprodukt verhindert.
Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran von Anspruch 6, wobei die Protonen-Austausch-Membran sich über ein Ende des Separators erstreckt, um die Anoden-Katalysatorschicht mit der Kathoden-Katalysatorschicht zu verbinden.
Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran von Anspruch 6, wobei der Separator eine Epoxyharzprotrusion ist, die sich von einer Gasabdeckungsschicht erstreckt und an der Protonen-Austausch-Membran endet.
Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran von Anspruch 1, ferner umfassend eine erste Gasdiffusionsschicht zwischen dem Wasserstoffeinlass und der Anoden-Katalysatorschicht und eine zweite Gasdiffusionsschicht zwischen dem Sauerstoffeinlass und der Kathoden-Katalysatorschicht.
Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran von Anspruch 1, ferner umfassend eine erste Elektrode, die benachbart zu dem Wasserstoffeinlass positioniert ist, und eine zweite Elektrode, die benachbart zu dem Sauerstoffeinlass positioniert ist.
Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran, umfassend: eine Anoden-Katalysatorschicht; eine Kathoden-Katalysatorschicht; eine Protonen-Austausch-Membran, welche die Anoden-Katalysatorschicht von der Kathoden-Katalysatorschicht separiert; einen Sauerstoffeinlass, der so konfiguriert ist, dass er Sauerstoff an die Kathoden-Katalysatorschicht liefert; und einen Wasserstoffeinlass, der separat von dem Sauerstoffeinlass und so konfiguriert ist, um Wasserstoff an die Anoden-Katalysatorschicht zu liefern; wobei die Anoden-Katalysatorschicht, die Kathoden-Katalysatorschicht, der Sauerstoffeinlass und der Wasserstoffeinlass zu einer Seite der Protonen-Austausch-Membran positioniert sind.
Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran von Anspruch 10, ferner umfassend einen Ablass für hydrophiles Wasser, der zu einer anderen Seite der Protonen-Austausch-Membran, gegenüber der einen Seite, positioniert ist.
Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran von Anspruch 10, ferner umfassend einen Separator, der lateral zwischen der Anoden-Katalysatorschicht und der Kathoden-Katalysatorschicht positioniert ist, wobei der Separator den Durchgang des Wasserstoffs und des Sauerstoffs verhindert.
Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran von Anspruch 10, ferner umfassend eine erste Elektrode, die benachbart zu dem Wasserstoffeinlass positioniert ist, eine zweite Elektrode, die benachbart zu dem Sauerstoffeinlass positioniert ist, eine erste Gasdiffusionsschicht zwischen dem Wasserstoffeinlass und der Anoden-Katalysatorschicht und eine zweite Gasdiffusionsschicht zwischen dem Sauerstoffeinlass und der Kathoden-Katalysatorschicht.
Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran von Anspruch 10, wobei die Anoden-Katalysatorschicht lateral von der Kathoden-Katalysatorschicht versetzt ist.
Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran von Anspruch 10, ferner umfassend eine hydrophobe Schicht, die zwischen dem Sauerstoffeinlass und der Kathoden-Katalysatorschicht positioniert ist, wobei die hydrophobe Schicht zu der einen Seite der Protonen-Austausch-Membran positioniert ist.
Duale Brennstoffzellenanordnung, umfassend die Protonen-Austausch-Membran von Anspruch 11, wobei die Protonen-Austausch-Membran eine erste Protonen-Austausch-Membran ist, wobei die duale Brennstoffzellenanordnung ferner eine zweite Protonen-Austausch-Membran umfasst, die so positioniert ist, dass der Ablass für hydrophiles Wasser zwischen der ersten Protonen-Austausch-Membran und der zweiten Protonen-Austausch-Membran positioniert ist.
Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran, umfassend: eine Anoden-Katalysatorschicht; eine Kathoden-Katalysatorschicht; einen Sauerstoffeinlass, der so konfiguriert ist, dass er Sauerstoff an die Kathoden-Katalysatorschicht liefert; einen Wasserstoffeinlass, separat von dem Sauerstoffeinlass, der so konfiguriert ist, dass er Wasserstoff an die Anoden-Katalysatorschicht liefert; eine erste hydrophobe Schicht, die zwischen der Anoden-Katalysatorschicht und dem Wasserstoffeinlass positioniert ist; eine zweite hydrophobe Schicht, die zwischen der Kathoden-Katalysatorschicht und dem Sauerstoffeinlass positioniert ist; und einen Ablass für hydrophiles Wasser, der so positioniert ist, dass er ein H₂O-Nebenprodukt, das an der Kathoden-Katalysatorschicht erzeugt wird, durch die Protonen-Austausch-Membran aufnimmt.
Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran von Anspruch 17, wobei die Protonen-Austausch-Membran als ein Fluidweg zwischen der Anoden-Katalysatorschicht und der Kathoden-Katalysatorschicht funktionsfähig ist.
Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran von Anspruch 18, wobei der Ablass für hydrophiles Wasser aus einer mikroporösen Struktur gebildet ist, die so konfiguriert ist, dass sie Wasser von der Protonen-Austausch-Membran wegzieht.
Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran von Anspruch 17, wobei die Anoden-Katalysatorschicht lateral von der Kathoden-Katalysatorschicht über einen Epoxy-Separator separiert ist.