DE19939727A1

DE19939727A1 - Stromkollektor für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE19939727A1
Application number: DE19939727A
Authority: DE
Inventors: Andrej Kulikovsky; Jiri Divisek; Alexej Kornyshev
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1999-08-21
Filing date: 1999-08-21
Publication date: 2001-02-22
Also published as: WO2001015256A2; WO2001015256A3

Abstract

Die Erfindung betrifft die Struktur eines Stromsammlers bei einer Brennstoffzelle, in der eine direkte elektrochemische Umsetzung eines Brennstoffs in Elektrizität stattfindet. Der erfindungsgemäße Stromsammler überwindet die infolge der Unregelmäßigkeiten bei der Stromdichteverteilung auftretenden beträchtlichen energetischen Verluste während des Stromflusses und führt so zu einer deutlichen Verbesserung des Wirkungsgrades.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromkollektor für eine Brennstoffzelle, in der eine direkte elektrochemische Umsetzung eines Brennstoffs in Elektrizität stattfin det.

Ein typisches Beispiel für solche Brennstoffzellen ist die Wasserstoff-Brennstoffzelle mit Polymerelektrolyten (PEMFC) oder die Direkte Methanol-Brennstoffzelle (DMFC), bei denen Wasserstoff oder Methanol bei niedri ger Temperatur direkt verstromt werden.

Eine derartige Brennstoffzelle weist eine Anode, eine Elektrolytmembran und eine Kathode auf. Der Kathode wird ein Oxidationsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff oder Methanol zugeführt. Kathode und Anode einer Brennstoffzelle wei sen in der Regel eine durchgehende Porosität auf, damit die beiden Betriebsmittel Oxidationsmittel und Brenn stoff den aktiven Bereichen der Elektroden zugeführt werden können. Die Elektrode ist so strukturiert, daß in einer Kollektor-Verteilerplatte abwechselnd Zulei tungskanäle und elektrisch leitende Strom-Leitungsstege eingearbeitet sind. Die Kanäle dienen der Verteilung des gasförmigen oder flüssigen Brennstoffes oder der Luft, die Leitungsstege der Zufuhr bzw. Abnahme des elektrischen Stromes. Diese Struktur wird auf die porö se Schicht der eigentlichen Elektrode (Verteilungs- bzw. Diffusionsschicht) aufgepreßt, die zum einen der Gas- (Flüssigkeits)-Verteilung, zum anderen der Vertei lung des elektrischen Stromes dient. Die letzte Schicht ist die Katalysatorschicht, in der die eigentlichen elektrochemisch katalysierten Vorgänge stattfinden.

Durch die oben beschriebene Konstruktion bedingt ist die Oberfläche der porösen Diffusionsschicht für die flüssigen bzw. gasförmigen Betriebsstoffe nur teilweise in Kanalbereichen der Massenzufuhr zugänglich, da die restliche Oberfläche durch die Stromkollektoren zuge deckt und dadurch abgeschirmt ist. Diese Geometrie der Stromzuführungen hat zwei wesentliche Nachteile. Zum einen entstehen dadurch Unregelmäßigkeiten in der Zu fuhr der Betriebsstoffe (Brennstoff auf der Anodenseite bzw. Oxidationsmittel auf der Kathodenseite der Zelle) in die jeweiligen Katalysatorschichten, zum anderen bilden sich an der Grenze Stromkollektor/Kanal elektri sche Kanteneffekte, die dort zu einer Überhöhung der lokalen Stromdichte führen und große Unregelmäßigkeiten in der Führung des elektrischen Stroms verursachen.

Aus J. Electrochem. Soc., Bd. 143, 1996, S. 1-103, ist bekannt, die beschriebenen Unregelmäßigkeiten in dem Massenfluß durch eine seitlich erzwungene Gas- oder Flüssigkeitsführung zumindest teilweise zu beheben. Nach diesem Verfahren wird durch die Trennung der Gas zufuhr und -abfuhr aus der Zelle der Massenstrom unter die Strom-Leitungsstege seitlich umgelenkt, so daß es zu einem partiellen Ausgleich der Gaskonzentrationen kommt. Diese Technik hat jedoch den wesentlichen Nach teil, daß dadurch der Gasstrom in der porösen Schicht durch den sehr engen Spalt (ca. 100 µm) zwischen dem Strom-Leitungssteg und der Katalysatorschicht durch strömen muß, so daß erhebliche Druckverluste entstehen, die wiederum energetische Verluste des Brennstoffzel lenbetriebs zur Folge haben. Außerdem gibt diese Art der Massenstromführung eine Verteilung der Massenströme entlang der Stromverteilerplatte vor, die im hydrodyna mischen Sinne nicht vorteilhaft ist, da entlang der Stromverteilerplatte Gebiete entstehen, weiche nicht angeströmt werden, so daß die Optimierung der Massen verteilung entlang der Platte verloren geht.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stromkollektor für eine Brennstoffzelle zu schaffen, der die genannten Nachteile der beschränkten Zufuhr der Betriebsstoffe sowie der Unregelmäßigkeit in der Stromführung nicht aufweist. Weiter ist es die Aufgabe der Erfindung, die energetischen Verluste während des Stromflusses auf grund von Inhomogenitäten der Betriebsstoffe regelmäßig deutlich zu verringern.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Stromkollektor mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestal tungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen An sprüchen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Geometrie der Stromzuführungen eines Stromkollektors so zu ge stalten, daß eine entlang des Leitungsgerüstes erzwun gene Betriebsmittelströmung gewährleistet wird, ohne daß die elektronisch leitende, auf der porösen Diffusi onsschicht liegende Kollektor-Verteilerplatte den unter ihr liegenden Bereich abschirmt.

Der anspruchsgemäße Stromkollektor umfaßt ein waben-, netz- oder fadenförmiges Leitungsgerüst sowie eine äu ßere Kollektor-Verteilerplatte, beides aus elektronisch gut leitendem Material, wie beispielsweise Kohlenstoff fäden oder kohlenstoffbeschichtetem Metall. Die Form der Innenräume des Leitungsgerüstes kann quadratisch, zylindrisch oder auch polyedrisch sein. Das Leitungsge rüst ist dadurch gekennzeichnet, daß es in die Kataly satorschicht hineinreicht. Vorteilhaft reicht sie durch die gesamte Katalysatorschicht hindurch bis zu einer angrenzenden Membran. Das Leitungsgerüst ist in eine elektronisch leitende Diffusionsschicht mit mindestens 40% Porosität so eingebettet, so daß dessen Innenräume das hochporöse, Betriebsmittel-durchlässige Material der Diffusionsschicht aufweisen.

Unter Betriebsmittel ist dabei auf der Anodenseite ein Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff oder Metha nol, und auf der Kathodenseite ein Oxidationsmittel, wie z. B. Luft oder Sauerstoff zu verstehen.

Das Leitungsgerüst ist elektronisch leitend mit einer äußeren Kollektor-Verteilerplatte verbunden. Diese Kol lektor-Verteilerplatte ist derart durchbrochen, daß das Betriebsmittel aus den Betriebsmittelleitungen durch die Kollektor-Verteilerplatte ins Innere des Leitungs gerüstes gelangen kann. Vorteilhaft weist die Kollek tor-Verteilerplatte überall dort Durchbrüche auf, wo die mit Betriebsmittel-durchlässigem Material gefüllten Innenräume des Leitungsgerüstes angrenzen. Dies be wirkt, daß die Kollektor-Verteilerplatte keine oder nur sehr geringe Bereiche der Diffusionsschicht abdeckt. Da die Innenräume des Leitungsgerüstes selbst von den Be triebsmittelzuführungskanälen bis zur Katalysator schicht durchgängig sind, wird so der ungehinderte Be triebsmitteltransport von den Leitungen durch das porö se Material der Diffusionsschicht im Inneren des Lei tungsgerüstes bis zur Katalysatorschicht und zurück zu den Betriebsmittelleitungen gewährleistet.

Der anspruchsgemäße Stromkollektor bewirkt, daß Inhomo genitäten des Betriebsmitteltransportes verhindert wer den, was eine Homogenisierung der Stromdichteverteilung in der Katalysatorschicht zur Folge hat. Dabei ist in vorteilhafter Weise nahezu die gesamte Querschnittsflä che der Elektroden dem einströmenden Betriebsmittel, Brennstoff, bzw. Oxidationsmittel, zugänglich. Zonen mit reduzierter Konzentration an Betriebsmittel werden so regelmäßig vermieden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Stromkollektors weist ein Leitungsgerüst mit sechskant- oder quaderför migen Waben auf. Diese Ausführungsform ist besonders einfach herstellbar.

Eine weitere Ausführungsform weist vorteilhaft zylin drische Waben im Leitungsgerüst auf.

Besonders vorteilhaft ist auch ein Stromkollektor, bei dem die äußere Kollektor-Verteilerplatte Leitungsstege aufweist, welche die Wabenwände durchkreuzen. Die Geo metrie der Leitungsstege der Kollektor-Verteilerplatte entspricht somit der Querschnittsgeometrie des waben förmigen Leitungsgerüstes. Damit werden Bereiche der Diffusionsschicht, die durch die Kollektor-Verteiler platte abgedeckt werden und so zu Inhomogenitäten der Gasverteilung führen können, verhindert. Der Betriebs mittelaustausch aus der Betriebsmittelleitung durch die Kollektor-Verteilerplatte hindurch kann vorteilhaft über den gesamten Querschnitt der Diffusionsschicht stattfinden.

Um zu verhindern, daß ionische Bestandteile des Lei tungsgerüstes des Stromkollektors durch die Katalysa torschicht hindurch bis zur angrenzenden Elektrolytmem bran dringen und dort Vergiftungserscheinungen auftre ten, wird in einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Stromkollektors das wabenförmige Leitungsgerüst in dem Bereich, in dem es in die Katalysatorschicht hin einreicht, mit Kohlenstoff beschichtet. Dies verhindert das Freisetzen von Ionen aus dem Leitungsgerüst in die sem Bereich.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren nä her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Schema einer konventionellen Polymerelek trolyt-Brenstoffzelle mit Kollektor- Verteilerplatten (grau) an beiden Seiten der Zelle, die Brennstoffkanäle aufweisen.

Fig. 2 Schema von anspruchsgemäßen Stromkollekto ren (grau) in einer Zelle mit zylindrischen Waben im Leitungsgerüst mit Radius r. Die Leitungsgerüste der Stromkollektoren werden hierbei durch mit Kohlenstoff beschichteten Metallröhren gebildet. Deren Ende kann bis an die Membran (5) reichen.

Fig. 3 Computersimulation der Verteilungsgleichge wichte in einer Direkt-Methanol-Brennstoff zelle (DMFC) bei ring-, bzw. röhrenförmigen Stromkollektoren mit r = 0,25 cm, z = Achse der zylindrischen Zelle

a) Konturlinien und Richtung der Protonen flußdichte in [mA/cm²] in der Membran
b) Konturlinien der elektrochemischen Reak tionsrate in [mA/cm³] in der kathodischen Katalysatorschicht (KS)
c) Konturlinien und Richtung der Elektro nenflußdichte in [mA/cm²] in der porösen Diffusionsschicht und der angrenzenden ka thodischen Katalysatorschicht.

Fig. 4 Konturlinien der molaren Konzentration in einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) bei ring-, bzw. röhrenförmigen Stromkollektoren mit r = 0,25 cm, z = Achse der zylindrischen Zelle

a) Konzentration an Methanol in der Anode
b) Konzentration an Sauerstoff (O₂) in der Kathode.

Fig. 5 Rechtwinklige Geometrie einer Kollektor- Verteilerplatte mit langen rechteckigen Durchbrüchen.

Fig. 6 Kreisförmige Geometrie einer Kollektor- Verteilerplatte mit kreisförmigen Durchbrü chen. Die Mittelpunkte der Kreise liegen auf den Eckpunkten eines hexagonalen Git ters.

Fig. 7 Wabenförmige Sechskantgeometrie einer Kol lektor-Verteilerplatte. Das Leitungsgerüst befindet sich auf den Verbindungspunkten eines hexagonalen Gitters.

Der erfindungsgemäße elektronisch gut leitende Strom kollektor wird in die hochporöse Diffusionsschicht (3) bis in die Katalysatorschicht (4) hinein eingearbeitet, wie in Fig. 2 dargestellt wird. Wenn die so gestalteten Stromkollektoren auf der Brennstoff- bzw. Oxidations mittelseite beispielsweise durch grobporige, gut elek trisch leitende Kollektor-Verteilerplatten (9) kontak tiert sind, welche den Massenzugang in jedem der Be triebsmittelseite zugewandten äußeren Kollektorende frei ermöglicht, so kann der elektrische Strom der po rösen Diffusionsschicht ohne Massenabschirmungseffekte zugeführt werden. Die Kollektor-Verteilerplatten können auch das übliche System von Leitungsstegen/Gaskanälen haben, die in Kreuzrichtung zu den Wabenwänden ausge richtet sind. Dadurch ist die vollständige Quer schnittsfläche der Elektrode dem einströmenden Brenn stoff (8) bzw. dem Oxidationsmittel (7) zugänglich und die Zonen mit reduzierter Konzentration werden elimi niert. Durch diese homogene Verteilung des Brennstoffs bzw. des Oxidationsmittels in der Katalysatorschicht werden auch Polarisationseffekte vermieden, welche sonst die Ausbildung von Heterogenitäten des elektri schen Feldes in der Diffusions- und der Katalysator schicht entstehen lassen und zu den Verlusten an der Zellspannung führen. Die Geometrie der Einzelzelle, de ren Querschnitt in Fig. 2 dargestellt ist, kann entlang der Kollektorlänge planar quadratisch, hexagonal oder auch tubular sein, je nach Konstruktionsbedarf.

Es wurde eine Computersimulation der Massenströme, des Elektronen- und Protonentransports und der Überspannung in einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle mit der vor geschlagenen Kollektor-Anordnung durchgeführt. Diese Simulationen zeigen, daß sowohl die quadratisch planare als auch die tubular-zylindrische Konstruktion eine sehr homogene Verteilung der elektrochemischen Reakti onsgeschwindigkeit entlang der Katalysatorschicht zur Folge haben, die energetisch sehr vorteilhaft ist.

In Fig. 3 ist eine derartige Verteilung der elektroni schen Stromdichte in der porösen Diffusionsschicht, der elektrochemischen Reaktionsrate in der Katalysator schicht sowie der Protonenstromdichte in der Polymer membran der Brennstoffzelle dargestellt.

In Fig. 4 wird die sehr homogene Konzentrationsvertei lung der Betriebsstoffe (Methanol als Brennstoff bzw. Sauerstoff als Oxidationsmittel) während des Zellbe triebs in dem jeweiligen Elektrodenkörper (Anode bzw. Kathode) der Brennstoffzelle dargestellt.

In Fig. 5, 6 und 7 werden drei Beispiele der konstruk tiven Ausführung für eine Kollektor-Verteilerplatte ge zeigt.

Die Aufsicht erfolgt aus der z-Richtung gemäß der Fig. 2. Die metallischen Profile des Leistungsgerüstes (2) sind in die beiden Schichten, Diffusionsschicht (3) und Katalysatorschicht (4), eingebettet. Die Elektrolyt- Membran (5) ist stark sauer und hat Ionenaustauscher- Eigenschaften. Um ihre Vergiftung mit den Ionen des me tallischen Leitungsgerüstes (2) zu verhindern, sollen zumindest die Teile des Leitungsgerüstes, die in die Katalysatorschicht (4) hineinreichen, mit Kohlenstoff beschichtet sein. Die Wabeninnenräume sind mit Teilen der porösen Schicht/Katalysatorschicht ausgefüllt, de ren Profil in Fig. 2 dargestellt ist. Zwei derartige Anordnungen eines Stromkollektors werden auf beide Sei ten des Membranelektrolyten (5) der Brennstoffzelle aufgelegt und in die Elektrodenschichten eingebettet, so daß die sandwichartige Anordnung der Brennstoffzelle gebildet wird.

Eine weitere geometrische Ausführung der Stromkollekto ren zeigt Fig. 6. Die Öffnungen sind ringförmig und mit der Masse der porösen Diffusionsschicht/Katalysator schicht ausgefüllt. Mit diesen Profilen wurden auch die Computersimulationen, die in den Fig. 3-4 zu sehen sind, durchgeführt.

Diese Stromkollektoranordnungen befinden sich auf bei den Seiten des Polymerelektrolyten in einer sandwichar tigen Anordnung.

Claims

1. Stromkollektor für eine Brennstoffzelle, die eine Katalysatorschicht (4), eine hochporöse Diffusions schicht (3) sowie Betriebsmittelzu- bzw. abführungs leitungen (7, 8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Stromkollektor ein waben-, netz- oder faden förmiges Leitungsgerüst (2) und eine äußere Kol lektor-Verteilerplatte (9) aufweist,
- das Leitungsgerüst in der porösen Diffusions schicht eingebettet und bis in die Katalysator schicht hineinreicht, und
- das Leitungsgerüst mit der äußeren Kollektor-Ver teilerplatte elektronisch leitend verbunden ist.

2. Stromkollektor für eine Brennstoffzelle nach vorher gehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungsgerüst durch die Katalysator schicht hindurchreicht bis an eine angrenzende Mem bran.

3. Stromkollektor für eine Brennstoffzelle nach vorher gehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität der Diffusionsschicht (3) zwi schen 40% und 100% liegt.

4. Stromkollektor für eine Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungsgerüst (2) hexagonale Waben auf weist.

5. Stromkollektor für eine Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungsgerüst (2) zylindrische Waben auf weist.

6. Stromkollektor für eine Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungsgerüst (2) quaderförmige Waben aufweist.

7. Stromkollektor für eine Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Kollektor-Verteilerplatte (9) Lei tungsstege aufweist, die dem Querschnitt des Lei tungsgerüstes entsprechen oder deren Wände kreuzen.

8. Stromkollektor für eine Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungsgerüst (2) in die Katalysator schicht hineinreicht und im Bereich der Katalysator schicht mit Kohlenstoff beschichtet ist.