DE19947858A1

DE19947858A1 - Korrosionsbeständige Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE19947858A1
Application number: DE19947858A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Kaiser; Iona Mackenzie; Richard Spaeh
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: Mercedes Benz Group AG; Ford Motor Co
Priority date: 1999-10-05
Filing date: 1999-10-05
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2019-10-06
Also published as: DE19947858C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine korrosionsbeständige PEM-Brennstoffzelle, mit zwei metallischen Endplatten, zwischen denen alternierend Membarn-Elektroden-Einheiten (10) und metallische Bipolarplatten (2) angeordent sind, wobei die DOLLAR A - Membran-Elektroden-Einheiten (10) zwei Elektroden (1) mit gegensätzlicher Polarität sowie eine zwischen den Elektroden (1) angordnete Elektrolytmembran (7) umfasst, und eine Elektrode (1) jeweils eine katalytische Schicht sowie eine poröse, gasdurchlässige Stromkollektorschicht umfasst, und die DOLLAR A - metallischen Bipolarplatten (2) und/oder die Endplatten eine Korrosionsschutzbeschichtung aufweisen. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist zwischen einer Elektrode (1) und einer Bipolarplatte (2) bzw. Endplatte eine gasdurchlässige Zwischenschicht (5) vorhanden, die an der Bipolarplatte (2) bzw. Endplatte befestigt ist. In einer alternativen Lösung ist die Stromkollektorschicht (8) der Elektroden (1) an der Bipolarplatte (2) bzw. Endplatte befestigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine korrosionsbeständige Brennstoffzelle nach dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1.

Für die Versorgung von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen mit Energie kann eine Brennstoffzelle eingesetzt werden. Eine für diesen Zweck besonders geeigneten Brennstoffzellentyp ist die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle, abgekürzt PEM- Brennstoffzelle, die ein günstiges volumen- und gewichtsspezifisches Leistungspo tential aufweist.

PEM-Brennstoffzellen werden weltweit erforscht und entwickelt und beinhalten eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit, in der Literatur auch mit MEA (Membrane Electrode Assembley) abgekürzt. Die MEA besteht aus einer ionenleitenden Mem bran, wie zum Beispiel Nafion®, die von zwei Elektroden (Anode, Kathode) eingefasst ist. Diese Elektroden bestehen jeweils aus einer katalytischen Schicht, die Katalysa tormaterial für die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion enthält. Diese ist unmittelbar auf die Oberfläche der Membran aufgebracht. Darüber hinaus umfasst eine Elektrode jeweils eine gasdurchlässige, elektrisch leitfähige Stromkollektor schicht. Diese Schicht hat den Zweck, den elektrischen Kontakt zwischen der Dreiphasengrenze Elektrolyt-Katalysator-Gasphase über die benachbarte Bipolar platte zum elektrischen Verbraucher herzustellen. Sie besteht aus einem porösen Material, z. B. Kohlefaserpapier.

Üblicherweise umfassen die Brennstoffzellen mehrere Einzelzellen, wobei abwech selnd Membran-Elektroden-Einheiten und die bereits erwähnten Bipolarplatten übereinander oder nebeneinander angeordnet werden (Brennstoffzellenstapel). Bipolarplatten dienen zur Versorgung mit den Betriebsgasen und zur elektrischen Kontaktierung der Membran-Elektroden-Einheit. An den beiden Enden des Stapels wird die Brennstoffzelle von jeweils einer Endplatte abgeschlossen, die neben dem Abschluss des Stapels dem gleichen Zwecken dienen wie die Bipolarplatten. Zum Aufbau des Brennstoffzellenstapels werden die einzelnen Elemente lose aufeinander gelegt, und, z. B. mittels Zuganker, miteinander verpresst.

Beim Betrieb der Brennstoffzelle sind die Bipolarplatten und Endplatten ständig einem feuchten, sauren Medium ausgesetzt. Darüber hinaus wird die Kathode jeder einzelnen Zelle mit einem Potenzial von bis zu +1 V gegenüber der Normalwasser stoffelektrode beaufschlagt und ist einem kontinuierlichen Luftstrom, ggf. auch Methanolreformat ausgesetzt. Die Betriebstemperatur liegt bei 60-100°C und erhöht die Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit.

In der US 5,624,769 ist eine Brennstoffzelle beschrieben, die aus einem Leichtmetall besteht und eine Deckschicht aus TiN als Korrosionsschutz besitzt.

Da die Lebensdauer einer Membran-Elektroden-Einheit und darin insbesondere die Lebensdauer der Membran, begrenzt ist, wird das Auswechseln der Membran- Elektroden-Einheit bei der heute geforderten Lebensdauer für Brennstoffzellenstapel regelmäßig notwendig sein.

Wird die Membran-Elektroden-Einheit einer Brennstoffzelle, deren Bipolarplatten mit einer korrosionsvermindernden Schicht versehen ist, ausgewechselt, so ergibt sich nach dem Ausbau eine schlechtere Zellperformance, als vor dem Ausbau.

Aufgabe der Erfindung ist es, den durch den Ausbau der Membran-Elektroden- Einheit verursachten Performanceverlust der Brennstoffzelle, der beim Einsatz korrosionsgeschützter metallischer Bipolarplatten auftritt, zu verhindern.

Diese Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Un teransprüchen.

Die Erfinder haben den Vorgang, der zur Verschlechterung der Brennstoffzellenper formance führt, durch Versuche identifiziert. Er ist im Aufwachsen schlechtleitender Korrosionsschichten auf der Oberfläche der Bipolarplatten begründet. Dies wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 1a bis 1d näher erläutert.

Fig. 1a zeigt schematisch die fabrikneue Kontaktstelle zwischen der Stromkollektor schicht der Elektrode 1 aus einem Kohlefasermaterial und der Bipolarplatte 2. Die oberste Kohlefaserschicht der Elektrode 1 liegt auf der Bipolarplatte 2 auf. Der in der Zelle produzierte elektrische Strom wird senkrecht durch die Kohlefasern in die Bipolarplatte 2 eingeleitet.

Mit zunehmender Betriebszeit bildet sich auf dem Material der Bipolarplatte 2, das nicht unmittelbar durch Kohlefasern kontaktiert ist, eine Schicht 3 aus Korrosionspro dukten (Oxide, Hydroxide, etc.) aus. In dieser Phase wirkt sich das Aufwachsen der Korrosionsprodukte nicht schädlich auf die Zellperformance aus, da der elektrische Strom direkt von den Kohlefasern der Elektrode 1 auf die Bipolarplatte 2 übergehen kann. Dies ist in Fig. 1b dargestellt.

Durch Ausbau der Membran-Elektroden-Einheit und damit der Elektrode 1 und erneutem Einbau derselben oder einer anderen Membran-Elektroden-Einheit wird die direkte Übertragung des elektrischen Stromes auf die Bipolarplatte 2 dadurch gestört, dass eine genaue Platzierung jeder einzelnen Kohlefaser der Elektrode 1, die zur vollständigen Wiederherstellung des Kontaktes erforderlich wäre, nicht mehr möglich ist. In der Praxis liegen die Kohlefasern zumindest teilweise auf den Korrosions schichten 3 auf, die sich in der ersten Betriebsphase zwischen den Kohlefasern gebildet haben. Dies ist in Fig. 1c dargestellt.

In einer folgenden Betriebsphase (siehe Fig. 1d) wachsen die durch den Ausbau der Kohlefasern entstandenen Lücken mit Korrosionsprodukten zu. Der elektrische Strom muß jetzt über die neu entstandene, schlecht leitende Korrosionsschicht 3 zwischen den Kohlefasern der Elektrode 1 und der Bipolarplatte 2 fließen und reduziert die Zellleistung erheblich. Mit jedem weiteren Ausbau nimmt die Dicke der schlechtlei tenden Korrosionsschicht 3 analog zu Fig. 1 a-c weiter zu und führt letztendlich zu einem erheblichen Leistungsverlust der Brennstoffzelle.

Die Bildung schlecht leitender Korrosionsschichten wurde in Fig. 1 am Beispiel von Fasermaterialien beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, dass dieses Problem auch für jedes andere poröse Material relevant ist.

Zur Neutralisierung dieses Vorgangs schlägt die Erfindung vor, zwischen der Elektro de und der Bipolarplatte bzw. Endplatte eine zusätzliche gasdurchlässige, leitfähige Zwischenschicht anzubringen, die fest mit der Bipolarplatte verbunden ist. Diese Befestigung kann z. B. durch Ankleben erfolgen. Beim Ausbau der Membran- Elektroden-Einheit wird die poröse Zwischenschicht nicht von der Bipolarplatte entfernt. Da die Zwischenschicht so gewählt ist, dass eine Korrosion an dieser praktisch nicht stattfindet, wird die Struktur des Kontakts gemäß Fig. 1b konserviert, so dass eine durch den Ausbau bedingte Performanceverschlechterung verhindert wird.

Gemäß einer Alternativlösung kann auf die zusätzliche Zwischenschicht verzichtet werden, wenn die Stromkollektorschicht der Elektrode auf der Bipolarplatte bzw. Endplatte befestigt wird. Diese Befestigung kann zum Beispiel durch Ankleben erfolgen. Ein betriebsbedingter Ausbau betrifft dann nur noch die übrigen Bestand teile der Membran-Elektroden-Einheit, nämlich die Membran mit beidseitig aufge brachten katalytischen Schichten der Elektroden. Dieser Verbund wird im folgenden auch als Membran-Katalysator-Komplex bezeichnet.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 a-1d eine Erläuterung zum Aufwachsen der schlechtleitenden Korrosions schichten auf der Oberfläche der Bipolarplatten;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle nach der ersten erfindungsgemäßen Alternative;

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle nach der zweiten erfindungsgemä ßen Alternative.

Fig. 2 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle. Dargestellt ist eine einzelne Zelle mit einer Membran-Elektroden-Einheit 10 zwischen zwei Bipolarplatten 2. Die Bipolarplatten 2 enthalten Kanäle 6 für die Zu- und Abfuhr der Prozessgase. Ausserdem sind die Bipolarplatten 2 mit einer Korrosionsschutzbeschichtung (in der Fig. 2 nicht dargestellt) überzogen. Diese kann ein Nitrid, z. B. Chromnitrid oder Titannitrid oder ein Carbid, z. B. Titancarbid enthalten. Weitere geeignete Materialien für die Korrosionsschutzbeschichtung sind Kohlenstoff oder ein Metall, z. B. Nickel. Die Membran-Elektroden-Einheit 10 umfasst eine Elektrolytmembran 7, auf deren Flachseiten die Elektroden 1 als Anode und Kathode aufgebracht sind. Die Elektro den 1 bestehen jeweils aus zwei Schichten (in der Figur nicht einzeln dargestellt), nämlich der katalytischen Schicht, die unmittelbar benachbart zur Membran 7 angeordnet ist, sowie der Stromkollektorschicht aus einem porösen, gasdurchlässi gen Material, z. B. einem Kohlefaserpapier oder Kohlefaserflies.

Erfindungsgemäß wird zwischen eine Elektrode 1 und eine Bipolarplatte 2 eine zusätzliche Zwischenschicht 5 aus elektrisch leitfähigem Material eingebracht. Das Material der Zwischenschicht 5 wird so gewählt, das es unter den Bedingungen des Brennstoffzellenbetriebs nicht oder nur schwach korrodiert. Die Zwischenschicht 5 kann ebenso wie die Stromkollektorschicht aus einem Kohlefasermaterial, z. B. als Kohlefaserpapier oder Kohlefaserflies, bestehen. Die Zwischenschicht ist fest mit der Bipolarplatte verbunden. Die Befestigung der Zwischenschicht mit der Bipolarplatte kann z. B. folgendermaßen hergestellt werden:

- Integration der Zwischenschicht an deren Rändern in das auf der Bipolarplatte befindliche Dichtungsmaterial;
- Ankleben der Zwischenschicht an deren Rändern, z. B. punktuell oder fortlaufend;
- flächiges Aufkleben über die gesamte Fläche oder über einen Teilbereich der Zwischenschicht mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers;
- mechanisches Festklemmen der Zwischenschicht durch Klemmvorrichtungen;
- bei metallischen oder schweißbaren Zwischenschichten: Schweißen.

Die elektrisch leitfähige Zwischenschicht 5 vermittelt den elektrischen Kontakt zwischen Elektrode 1 und Bipolarplatte 2.

Die Zwischenschicht 5 wird - wie in Fig. 2 dargestellt - vorteilhaft sowohl zwischen Anode und anodenseitiger Bipolarplatte eingebracht als auch zwischen Kathode und kathodenseitiger Bipolarplatte.

Beim Ausbau der Membran-Elektroden-Einheit 10 bleibt der Kontakt der Zwischen schicht 5 mit der Bipolarplatte 2 erhalten. Die Trennung der Membran-Elektroden- Einheit 10 von den übrigen Komponenten der Brennstoffzelle erfolgt an der Grenzflä che von Zwischenschicht 5 und Elektrode 1. Diese beiden Komponenten sind nicht fest miteinander verbunden oder verklebt, sondern innerhalb der Zelle lose aufeinan dergelegt und aufeinandergepresst.

Somit wird durch den Austausch der Membran-Elektroden-Einheit 10 der Kontakt zwischen Elektrode 1 und Bipolarplatte 2 nicht beeinträchtigt.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle gemäß einer zweiten erfindungs gemäßen Alternative. Dabei wird die Stromkollektorschicht 8 einer Elektrode (Be zugsziffer 1 in Fig. 2) an der Bipolarplatte 2 befestigt, z. B. durch Aufkleben. Strom kollektorschicht 8 und die katalytische Schicht der Elektrode sind in diesem Falle nicht fest miteinander verbunden. Beim betriebsbedingten Austausch wird dann nur der Verbund 11 aus Membran und beidseitig aufgebrachter katalytischer Schicht ausgetauscht. Die Stromkollektorschicht 8 bleibt fest mit der Bipolarplatte 2 verbun den. Die katalytische Schicht, die im Allgemeinen sehr dünn verglichen mit den übrigen Schichten ausgeführt wird, ist in Fig. 3 nicht eingezeichnet.

Als Materialien für Bipolarplatte 2, Korrosionsschutzbeschichtung und katalytische Schicht können die bei der Beschreibung zu Fig. 2 genannten Materialien eingesetzt werden. Für die Befestigung der Stromkollektorschicht an der Bipolarplatte können die gleichen Techniken eingesetzt werden, die bei der Beschreibung von Fig. 2 genannt wurden.

Claims

1. Korrosionsbeständige PEM-Brennstoffzelle, mit zwei metallischen Endplatten, zwischen denen alternierend Membran-Elektroden-Einheiten (10) und metalli sche Bipolarplatten (2) angeordnet sind, wobei die

- Membran-Elektroden-Einheiten (10) zwei Elektroden (1) mit gegensätzlicher Polarität sowie eine zwischen den Elektroden (1) angeordnete Elektrolyt membran (7) umfasst, und ein Elektrode (1) jeweils eine katalytische Schicht sowie eine poröse, gasdurchlässige Stromkollektorschicht umfasst, und die
- Bipolarplatten (2) und/oder die Endplatten eine Korrosionsschutzbeschich tung aufweisen,

dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Elektrode (1) und einer Bipo larplatte (2) bzw. Endplatte eine poröse, gasdurchlässige Zwischenschicht (5) vorhanden ist, die an der Bipolarplatte (2) bzw. Endplatte befestigt ist.

2. PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (5) aus nicht oder nur schwach korrodierendem Material be steht, z. B. aus Kohlefaserpapier oder Kohlefaserflies.

3. PEM-Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (5) an der Bipolarplatte (2) bzw. Endplatte durch Kleben befestigt ist.

4. PEM-Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung ein Nitrid, z. B. Chromnitrid oder Titannitrid oder ein Carbid, z. B. Titancarbid enthält.

5. PEM-Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung Kohlenstoff oder ein Metall, z. B. Nickel enthält.

6. PEM-Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht beim Austausch der Membran- Elektroden-Einheit (10) an der Bipolarplatte (2) bzw. Endplatte verbleibt.

7. Korrosionsbeständige PEM-Brennstoffzelle, mit zwei metallischen Endplatten, zwischen denen alternierend Membran-Elektroden-Einheiten und metallische Bipolarplatten (2) angeordnet sind, wobei die

- Membran-Elektroden-Einheiten (10) zwei Elektroden (1) mit gegensätzlicher Polarität sowie eine zwischen den Elektroden (1) angeordnete Elektrolyt membran (7) umfassen, und ein Elektrode (1) jeweils eine katalytische Schicht sowie eine poröse, gasdurchlässige Stromkollektorschicht (8) um fassen, und die
- Bipolarplatten (2) und/oder die Endplatten eine Korrosionsschutzbeschich tung aufweisen,

dadurch gekennzeichnet, dass die Stromkollektorschicht (8) der Elektroden (1) an der Bipolarplatte (2) bzw. Endplatte befestigt ist.

8. PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromkollektorschicht (8) an der Bipolarplatte (2) bzw. Endplatte durch Kleben befestigt ist.

9. PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung ein Nitrid, z. B. Chromnitrid oder Titannitrid oder ein Carbid, z. B. Titancarbid enthält.

10. PEM-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung Kohlenstoff oder ein Metall, z. B. Nickel enthält.

11. PEM-Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromkollektorschicht beim Austausch des Verbunds (11) aus Membran (7) und den beiden katalytischen Schichten an der Bipolarplatte (2) bzw. Endplatte verbleibt.