DE10220400A1

DE10220400A1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10220400A1
Application number: DE10220400A
Authority: DE
Inventors: Karsten Loehr; Gabor Toth
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Ballard Power Systems Inc
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2003-11-27
Also published as: AU2003240409A8; WO2003096451A3; AU2003240409A1; WO2003096451A2

Abstract

Um gezielt bestimmte Bereiche in der Elektrolyt-Elektrodenanordnung einer Brennstoffzelle weitestgehend wasserfrei zu halten und um eine ausreichende Versorgung der Reaktionszone mit Reaktionsgasen zu gewährleisten, wird vorgeschlagen, in den Aufbau mindestens einer Elektrode (6, 7) der Brennstoffzelle mindestens eine Be- und Entwässerungslage (3) zu integrieren, die sowohl als Drainage als auch als Reservoir für das in der Brennstoffzelle auftretende Wasser wirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode und mit einem zwischen diesen beiden Elektroden angeordneten Elektrolyten, wobei die beiden Elektroden an die beiden gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Elektrolyten angrenzen.

Bei den aus der Praxis bekannten PEM-Brennstoffzellen dient eine Ionenaustauschermembran als Elektrolyt. Nur wenn die Ionenaustauschermembran mit Wasser gesättigt ist und die angrenzenden Elektroden hinreichend befeuchtet sind, kann eine ausreichende Protonenleitfähigkeit gewährleistet werden. Gleichzeitig muss die Versorgung der Reaktionszonen mit den Reaktionsgasen, Wasserstoff und Sauerstoff, sichergestellt werden. Die Performance einer Brennstoffzelle hängt daher wesentlich vom Medienmanagement ab, d. h. davon, wie das in der Brennstoffzelle auftretende Wasser zur Befeuchtung des Elektrolyten und der Elektroden bereitgestellt wird, ohne dass die Versorgung der Reaktionszonen mit den Reaktionsgasen merklich behindert wird. Dies erweist sich insbesondere bei Systemen ohne externe Befeuchtung der Reaktionsgase und bei Systemen mit negativer Wasserbilanz als problematisch.

Die US-Patentschrift 6,024,848 beschäftigt sich mit der Problematik des Medienmanagements in einer Brennstoffzelle der eingangs genannten Art. In dieser Druckschrift wird vorgeschlagen, den Wassertransport zu und von der Membran der Brennstoffzelle mit Hilfe von sogenannten Doppelschichten ("bi-layers") zu regeln, die direkt an die beiden Elektroden angrenzen. Die beiden Doppelschichten umfassen jeweils eine hydrophobe Phase, die den Transfer der Reaktionsgase begünstigen soll, und eine hydrophile Phase für den Wassertransfer. Als hydrophobe Phase dient eine Mischung aus Ruß und einem hydrophoben Polymer, während als hydrophile Phase eine hydrophile Mischung aus Ruß und einem Protonenaustausch-Harz dient. In beiden Phasen sind Gasdurchgänge ausgebildet, die je nach Phase hydrophob oder hydrophil wirken. Die Gasdurchgänge sind zufällig in der Doppelschicht verteilt. Dabei wird das Mengenverhältnis von hydrophoben zu hydrophilen Gasdurchgängen durch das Mengenverhältnis der hydrophoben zur hydrophilen Phase in der Doppelschicht bestimmt.

Bei der aus der US 6,024,848 bekannten Brennstoffzelle wird der Wassertransfer aufgrund der Drainagewirkung der Doppelschicht begünstigt, die auf die hydrophile Phase der Doppelschicht zurückzuführen ist. Die Doppelschicht hat jedoch keinerlei Reservoirwirkung, was sich insbesondere in Verbindung mit Brennstoffzellen ohne externe Befeuchtung der Reaktionsgase oder Brennstoffzellen mit negativer Wasserbilanz als problematisch erweist. In einigen Fällen, wie z. B. bei Brennstoffzellen mit geringer Katalysatorbelegung, kann die Performance der Brennstoffzelle verbessert werden, wenn die Wasserver- und -entsorgung räumlich gezielt erfolgt. Diese Möglichkeit bietet das in der US 6,024,848 beschriebene Medienmanagement-Konzept nicht, da die hydrophilen Gasdurchgänge zufällig und daher in der Regel gleichmäßig in der Doppelschicht verteilt sind.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen können zum einen gezielt bestimmte Bereiche in der Elektrolyt-Elektrodenanordnung einer Brennstoffzelle weitestgehend wasserfrei gehalten werden, um eine ausreichende Versorgung der Reaktionszone mit Reaktionsgasen zu gewährleisten. Zum anderen ermöglichen die erfindungsgemäßen Maßnahmen eine Zwischenspeicherung des in der Brennstoffzelle auftretenden Wassers, so dass es für die Befeuchtung des Elektrolyten und der Elektroden zur Verfügung steht. Dadurch können geringere Katalysatorbelegungen realisiert werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass in den Aufbau mindestens einer Elektrode einer Brennstoffzelle der eingangs genannten Art mindestens eine Be- und Entwässerungslage integriert ist, die sowohl als Drainage als auch als Reservoir für das in der Brennstoffzelle auftretende Wasser wirkt.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass Strukturen zur Entwässerung und Wasserspeicherung bzw. Befeuchtung des Elektrolyten und der angrenzenden Elektroden am sinnvollsten in unmittelbarer Nähe der betroffenen Bereiche angeordnet werden. Ferner ist erkannt worden, dass derartige Strukturen bei entsprechender Wahl der Materialien keinen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften der Elektroden und des Elektrolyten haben. Deshalb wird vorgeschlagen, diese Strukturen in den Aufbau der direkt an den Elektrolyten angrenzenden Elektroden zu integrieren.

Grundsätzlich gibt es unterschiedliche Möglichkeiten für die Realisierung einer erfindungsgemäßen Be- und Entwässerungslage, die in den Aufbau einer Brennstoffzellen-Elektrode integriert ist.

Besonders gut lässt sich die angestrebte Reservoir- und Drainagewirkung mit Hilfe von hydrophilen Hohlfasern erzeugen, die in die Be- und Entwässerungslage integriert sind. In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, dass Hohlfasern gezielt in die Be- und Entwässerungslage eingebettet werden können und so einfach Bereiche mit unterschiedlicher Hohlfaserbelegung und damit auch unterschiedlicher Drainage- und Reservoirwirkung geschaffen werden können. Dadurch lässt sich der Wassergehalt der angrenzenden Elektrodenbereiche und Elektrolytbereiche gezielt beeinflussen.

Damit die Performance der Brennstoffzelle durch die integrierten Hohlfasern nicht negativ beeinflusst wird, sollten die Hohlfasern aus einem elektrisch leitfähigen aber inerten Material bestehen. Insbesondere sollten sich aus diesem Material, beispielsweise bedingt durch die Reaktionen in der Brennstoffzelle, keine Ionen, wie z. B. Calcium- oder Natriumionen, herauslösen, da sich diese negativ auf die Protonenleitfähigkeit der Membran auswirken.

Die Reservoir- und Drainagewirkung der Hohlfasern wird zusätzlich begünstigt, wenn die Wandung der Hohlfasern eine Mikroperforierung aufweist und/oder die Außenseite der Hohlfasern mit einem hydrophoben Material beschichtet ist.

In einer besonders vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle sind Kohlenstoff-Hohlfasern in die Be- und Entwässerungslage der Elektrode integriert. Kohlenstoff-Hohlfasern sind bereits aufgrund ihrer Struktur hydrophil, d. h. sie lassen sich gut mit Wasser benetzen. Bei der Herstellung von Kohlenstoff-Hohlfasern können der Ausgangsmasse einfach gezielt porenbildende Additive, wie z. B. ein kurzkettiges Wachs, zugesetzt werden, um eine Mikroperforierung der Hohlfaserwände zu erreichen. Die Außenseite der Kohlenstoff-Hohlfasern kann beispielsweise mit Teflon beschichtet werden, so dass sie von außen hydrophob wirken.

Vorteilhafter Weise sind die Hohlfasern in eine hydrophobe Matrix integriert, was die Reservoir- und Drainagewirkung ebenfalls begünstigt. Als hydrophobe Matrix kann beispielsweise eine Rußschicht mit einer Teflonbeimischung dienen.

Durch die Senkung der Katalysatormenge, die in den Elektroden benötigt wird, ist die erfindungsgemäße Brennstoffzelle bzw. das ganze System wirtschaftlich von besonderem Interesse.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass das Material und der Aufbau der Be- und Entwässerungslage bzw. -lagen, insbesondere die Menge, die Morphologie und die Hydrophobierung, sowie die Orientierung, die Verteilung und der Aufbau der Hohlfasern auf die Betriebsparameter der Brennstoffzelle bzw. des ganzen Systems abgestimmt werden können und sollten, da die Wirkweise der Brennstoffzelle dadurch beeinflusst werden kann.

Wie bereits voranstehend ausführlich erörtert, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung verwiesen.

Die einzige Figur zeigt einen Schnitt durch die Elektrolyt- Elektrodenanordnung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.
Die hier dargestellte Elektrolyt-Elektrodenanordnung umfasst die beiden Elektroden der Brennstoffzelle, Anode 6 und Kathode 7, die jeweils in mehreren Lagen aufgebaut sind. Zwischen den beiden Elektroden 6 und 7 ist ein Elektrolyt 1 in Form einer Protonen-Austausch-Membran (PEM) angeordnet.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Anode 6 und die Kathode 7 spiegelsymmetrisch zur PEM 1 aufgebaut. Als erste Lage grenzt eine Katalysatorschicht 2 bestehend aus geträgertem Katalysator an die PEM 1. An die Katalysatorschicht 2 schließt sich eine mikroporöse Lage 3 an, die in eine grobporöse Lage 5 übergeht.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel dient die mikroporöse Lage 3 als Be- und Entwässerungslage, die sowohl als Drainage als auch als Reservoir für das in der Brennstoffzelle auftretende Wasser wirkt. Die mikroporöse Lage 3 umfasst eine Rußschicht mit einer Teflonbeimischung als hydrophobe Matrix, in die Kohlenstoff-Hohlfasern 4 eingebettet sind. Die Kohlenstoff- Hohlfasern 4 sind so orientiert, dass sie nicht bis in die grobporöse Lage 5 reichen. Vorteilhafterweise ist die Wandung der Kohlenstoff-Hohlfasern 4 mit einer Mikroperforierung versehen. Die Außenseite der Kohlenstoff-Hohlfasern 4 kann mit Teflon beschichtet sein, so dass die Kohlenstoff-Hohlfasern 4 zusätzlich von außen hydrophob wirken und das in der Brennstoffzelle auftretende Wasser besser aufnehmen können. Das Wasser wird dadurch in der Nähe des Elektrolyten 1 gehalten, ohne die Gasdiffusion zu beeinträchtigen, da die Porosität der hydrophoben Matrix, in die die Hohlfasern eingebettet sind, für die Gasversorgung des Katalysators und des Elektrolyten offen steht.
Alternativ oder auch ergänzend zu der mikroporösen Lage können auch Hohlfasern in die Katalysatorschicht eingebettet sein, so dass auch diese als Be- und Entwässerungslage wirkt. Dies erweist sich insbesondere im Hinblick auf eine gezielte Befeuchtung des Elektrolyten als vorteilhaft, da die Hohlfasern dann in unmittelbarer Nähe des Elektrolyten angeordnet sind. Bezugszeichen 1 Elektrolyt - PEM
2 Katalysatorschicht
3 Mikroporöse Lage
4 Kohlenstoff-Hohlfasern
5 Grobporöse Lage
6 Anode
7 Kathode

Claims

1. Brennstoffzelle mit einer Anode (6) und einer Kathode (7) und mit einem zwischen diesen beiden Elektroden (6, 7) angeordneten Elektrolyten (1), wobei die beiden Elektroden (6, 7) an die beiden gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Elektrolyten (1) angrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass in den Aufbau mindestens einer Elektrode (6, 7) mindestens eine Be- und Entwässerungslage (3) integriert ist, die sowohl als Drainage als auch als Reservoir für das in der Brennstoffzelle auftretende Wasser wirkt.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Be- und Entwässerungslage (3) der Elektrode (6, 7) hydrophile Hohlfasern (4) integriert sind.

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasern (4) aus einem elektrisch leitfähigen inerten Material bestehen.

4. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung der Hohlfasern (4) mit einer Mikroperforierung versehen ist.

5. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite der Hohlfasern (4) mit einem hydrophoben Material beschichtet ist.

6. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoff-Hohlfasern (4) in die Be- und Entwässerungslage (3) der Elektrode (6, 7) integriert sind.

7. Brennstoffzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite der Kohlenstoff-Hohlfasern (4) mit Teflon beschichtet ist.

8. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasern (4) in eine hydrophobe Matrix integriert sind.

9. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rußschicht mit einer Teflonbeimischung als hydrophobe Matrix dient.

10. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau der Elektrode eine an den Elektrolyten angrenzende Katalysatorschicht umfasst und dass die Hohlfasern in die Katalysatorschicht integriert sind, so dass die Katalysatorschicht als Be- und Entwässerungslage wirkt.

11. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau der Elektrode (6, 7) eine an den Elektrolyten (1) angrenzende Katalysatorschicht (2) und eine an diese Katalysatorschicht (2) angrenzende mikroporöse Lage (3) umfasst und dass die Hohlfasern (4) in die mikroporöse Lage (3) integriert sind, so dass die mikroporöse Lage als Be- und Entwässerungslage wirkt.