DE60130904T2

DE60130904T2 - Brennstoffzellenstruktur

Info

Publication number: DE60130904T2
Application number: DE60130904T
Authority: DE
Inventors: Stephen Robert Addlestone TENNISON; Beverley Limpley Stoke SOWERBY
Original assignee: Mast Carbon International Ltd
Current assignee: Mast Carbon International Ltd
Priority date: 2000-08-16
Filing date: 2001-08-16
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2021-08-17
Also published as: WO2002015308A2; AU2001278620A1; US7544437B2; US20100009230A1; US20040038117A1; JP2004507051A; WO2002015308A3; GB0020051D0; EP1316120B1; DE60130904D1; ATE375605T1; EP1316120A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle, insbesondere auf eine verbesserte Konfiguration der Brennstoffzelle.
In einer herkömmlichen Brennstoffzelle mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM), die Wasserstoff als Brennstoff verwendet, weist die Brennstoffzelle bipolare Graphitplatten für die Anode und die Kathode auf, die die Zufuhr des Brennstoffes Wasserstoff und des Sauerstoffes zu der Zelle steuern. Zusätzlich weist die Zelle zwei gasdurchlässige Folien aus Karbonpapier auf, die auf ihrer Innenseite mit einem Katalysator beschichtet sind und durch eine Protonen leitende Membrane voneinander getrennt und mit PTFE imprägniert sind, um die Feuchtigkeitsdurchlässigkeit zu steuern. Wasserstoff wird in die Kathodenkammer hindurchgelassen und Sauerstoff in die Anodenkammer. Wenn der externe Kreis durch eine Schaltung geschlossen wird, die elektrisch die Kathode und die Anode miteinander verbindet, wird Wasserstoff durch die mit PTFE imprägnierte Schicht aus Karbonpapier hindurchgelassen und durch den Katalysator ionisiert. Die dabei gebildeten Protonen strömen durch die Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) zu der Sauerstoffelektrode, wo sie mit Sauerstoffionen kombinieren, wobei Wasser und Eletronen erzeugt werden. Das erzeugte Wasser wird dann im Wesentlichen in den Luftstrom zurückgeführt.
Zurzeit basieren die Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) üblicherweise auf einem fluorierten Polymer, das von Du Pont hergestellt und unter der Marke „Nafion" verkauft wird. Dieses besteht im Wesentlichen aus Tetrafluorethylen mit Perfluorovinyl-Monomeren, die Sulfonat-Funktionsgruppen haben, die eine Protonenleitung erlauben, um die funktionalen Gruppen zu liefern. Dieses Polymer liefert zurzeit die beste Kombination aus mechanischer Festigkeit und Protonenleitfähigkeit, die wesentlich für die Konstruktion und den Betrieb einer Brennstoffzelle sind, obwohl viele andere Polymere entwickelt und auch jetzt verwendet werden, zum Beispiel DOW XUS-13204.10 Elektrolyt-Membran, Dais 585 (ein Sulfonatstyren-Ethylen, Butylen-Styren-Dreiblock-Copolymer) und Flemion (eine Karboxyl-Membran).
Die üblicherweise verwendeten Katalysatoren sind Platin für die Kathode und eine Platinlegierung, zum Beispiel Platin-Ruthenium und Platin-Molybden für die Anode.
Generell gilt, dass je kürzer die Weglänge für die Gasmoleküle durch die Katalysatorstruktur aus Karbonpapier mit PTFE und je kürzer die Weglänge für die Protonen durch die PEM ist, desto effizienter wird die Zelle sein, da hohe Transportwiderstände zu einem signifikanten Abfall der Zellenspannung führen.
Ein Betrieb mit hoher Stromdichte. wie dieses für kommerzielle Anwendungen geplant ist (typischerweise über 1000 mA/cm²) führt zu einer Verringerung der Zellenspannung auf etwa 0,6 V mit niedrigerem Wirkungsgrad, was zu einer höheren Wärmeabgabe der Zellen führt.
Die verschiedenen Komponenten von Brennstoffzellen müssen eine Mindestdicke aufweisen, da mehrere zusammenhängende Schichten notwendig sind, und auch aus Gründen der Handhabung während des Zusammenbaus der Zelle. Dies bedeutet, dass für bestehende Zellen die Weglängen durch die verschiedenen Komponenten einer Brennstoffzelle nicht unter einen minimalen Wert reduziert werden können. Insbesondere ist die Dicke der bipolaren Graphitplatten durch die nötigen komplexen Gasflusskanäle, die sowohl die Zuführgase in die Zelle transportieren und über die das in der Zellreaktion erzeugte flüssige Wasser entfernt werden muss, und durch die mechanischen Eigenschaften des Graphites bedingt. Zurzeit sind Dicken von weniger als etwa 1 bis 2 mm kaum zu erreichen. Die Dicke der Karbonpapierschicht (die ebenfalls mit PTFE imprägniert ist, um die Feuchtigkeit zu steuern) wurde progressiv auf etwa 100 bis 300 μm reduziert, kann jedoch kaum signifikant weiter reduziert werden, und zwar aufgrund der mechanischen Anfälligkeit, wobei die Dicke der PEM/Katalysatorschicht (Membran-Elektroden-Anordnung) einen Minimalwert von etwa 200 μm zu erreichen scheint, wobei hierbei die 10 μm dicke Platin/Karbon-„Tinten"-Schicht auf beiden Seiten des Polymerelektrolyten eingeschlossen ist. Dieses ergibt eine Gesamtdicke für eine einzelne Zelle von etwa 2500 bis 3000 μm.
Der Platinanteil in den PEM-Zellen wurde nach und nach von etwa 4 mg/cm² bis auf 0,5 mg/cm² bei kommerziellen Zellen reduziert, wobei einige Laborzellen nur noch etwa 0,15 mg/cm² verwenden. Das Platin wird als Tinte aufgebracht, die als Platin imprägniertes Karbonpapier ausgebildet ist und die auf beide Seiten des Polymer-Elektrolyten in einer Schicht von etwa 10 μm Dicke „aufgemalt" oder „aufgedruckt" wird.
Ein weiterer Faktor ist die erreichbare Größe der Oberfläche des Katalysators pro Einheitsvolumen der Zelle, wobei mit einer größeren Oberfläche für eine vorgegebene Zellengröße theoretisch ein stärkerer Strom erzeugt werden könnte und auch der Wirkungsgrad der Zelle verbessert würde, jedoch ist dieses durch die geometrische Größe der Anoden- und Kathoden-Anordnungen beschränkt.
Die einzelnen Zellen sind bipolar, das heißt, dass für den Betrieb die Zellen jeweils zusammen gestapelt werden, wobei jede bipolare Platte die negative Seite einer Zelle und die positive Seite der benachbarten Zelle bildet. Der erzeugte Strom wird direkt durch die Zelle transportiert, ohne dass äußere Verbindungen nötig sind – abwechselnde Seiten der bipolaren Graphitplatte sind negativ und positiv, wobei Wasserstoff auf einer Seite der Platte und Wasserstoff auf der anderen Seite zugeführt wird. Dies zeigt zwei weitere Beschränkungen für die bipolaren Platten – sie müssen absolut Gas undurchlässig sein und müssen auch einen sehr niedrigen elektrischen Widerstand quer zur Platte haben.
Um den Wirkungsgrad der ursprünglichen Brennstoffzelle zu verbessern, sind über die letzten 20 Jahre eine Vielzahl von geringeren Verbesserungen patentiert worden, mit denen die Leistungsdichte der Zelle von etwa 0,1 W/cm³ im Jahre 1990 bis auf 1,4 W/cm³ angehoben wurde, was für die neuesten Zellen gilt.
Das mit PTFE imprägnierte Karbonpapier wird gemeinsam mit den Katalysatorschichten und der Protonen leitenden Polymerschicht als Membran-Elektroden-Anordnung benannt. Die Entwicklung der Membran-Elektroden-Anordnungen in Brennstoffzellen mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran dauerte mehrere Generationen. Die ursprüngli chen Membran-Elektroden-Anordnungen wurden in den 1960er Jahren für das Gemini-Raumfahrtprogramm konstruiert und verwendeten 4 mg Platin Milligramm pro Quadratzentimeter der Membranfläche (4 mg/cm²). Die jetzige Technologie variiert von Hersteller zu Hersteller, jedoch nahm der Gesamtanteil von Platin von ursprünglich 4 mg/cm² auf etwa 5 mg/cm² ab. In Laboruntersuchungen werden jetzt Platinanteile von 0,15 mg/cm² verwendet. Die Dicke der Membran in einer Membran-Elektroden-Anordnung kann je nach dem Typ der Membran variieren. Die Dicke der Katalysatorschichten hängt davon ab, wie viel Platin in jeder Elektrode verwendet wird. Für Katalysatorschichten, die etwa 0,15 mg Pt/cm² verwenden, liegt die Dicke der Katalysatorschicht nahe bei 10 μm.
Die zentrale Schicht der Membran-Elektroden-Anordnung weist eine dünne Folie, etwa 50 bis 200 μm, aus leitendem Nafion-Polymer auf. Die Dicke dieser Schicht hat eine gute Wirkung für den gesamten Zellen-Wirkungsgrad, jedoch kann sie aufgrund des Konstruktionsverfahrens für die Zellen die Größe praktisch nicht weit unter die vorhandene Dicke reduziert werden. Es sind starke Anstrengungen im Gange, um Alternativen zu Nafion zu finden, um die Kosten für die Zelle zu reduzieren, jedoch stellte sich heraus, dass das Finden eines Polymeres mit der erforderlichen Protonenleitfähigkeit und mit akzeptablen mechanischen Eigenschaften schwierig ist.
Der Wirkungsgrad der Zelle ist durch die Diffusion des Wassers und der Gase durch die Membranschichten und auch durch den elektrischen Wirkungsgrad der Platin- und Nafionschichten begrenzt. Jede Reduzierung der Dicke der Transportschichten kann signifikant den Wirkungsrad der Zelle hinsichtlich des Gesamtmassentransportes verbessern, jedoch ist es mit dieser Art von Zelle, obwohl sie in weitem Rahmen verwendet wird, schwierig, eine substantielle Verbesserung des Wirkungsgrades zu erreichen.
Brennstoffzellen sind in der Literatur vielfältig beschrieben, so zum Beispiel bei T R Ralph et al, 1997, J Electrochem Soc, 144, 11, 3845; T E Springer et al, 1991, J Electrochem Soc, 138, 8, 2334; D M Bernardi und M W Verbrugge, 1992, J. Electrochem Soc, 139, 9, 2477.
Wir haben jetzt eine radikal unterschiedliche Konstruktion einer Brennstoffzelle vorgeschlagen, mit der viele der Beschränkungen bei herkömmlichen PEM-Zellenkonstruktionen mit bipolaren Platten überwunden werden können.
Gemäß der Erfindung wird eine Brennstoffzelle gemäß dem Anspruch 1 angegeben.
Jeder flüssige oder dampfförmige Brennstoff, der bei Brennstoffzellen verwendet wird, kann bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, so zum Beispiel Wasserstoff, Methanol etc.
Bei dem Betrieb strömt das Brennstoffgas oder der Brennstoffdampf, zum Beispiel Wasserstoff oder Methanol, durch das Innere der ersten hohlen Faser (Kathode), und Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas strömt durch das Innere der zweiten hohlen Faser (Anode). Die Gase strömen durch die Wände der hohlen Kohlenstoff-Fasern. Der Wasserstoff ionisiert, wobei ein Proton und ein Elektron an dem Katalysator an der Kathoden-Faseroberfläche erzeugt werden, und das Proton diffundiert durch den Elektrolyten zu der Kathoden-Faser. An der Anoden-Faser wird der Sauerstoff an dem Katalysator an der Faseroberfläche ionisiert, wobei er mit dem Proton reagiert, um die elektrochemische Reaktion abzuschließen und einen elektrischen Strom wie bei herkömmlichen Brennstoffzellen zu erzeugen. Die Katalysatoren an der Anode und der Kathode können aus den Materialien ausgewählt werden, die bekannterweise effektiv in den entsprechenden Umgebunden von Anode und Kathode arbeiten.
Vorzugsweise sind mehrere erste und zweite hohle elektrisch leitende ud gas durchlässige Fasern vorgesehen, die nebeneinander, vorzugsweise in Reihen angeordnet sind, um eine erste Lage der Fasern zu bilden, wobei die zweiten hohlen elektrisch leitenden und Gas durchlässigen Fasern ähnlich angeordnet sind, um eine zweite Lage der hohlen elektrisch leitenden Gas durchlässigen Fasern zu bilden. Die Fasern in jeder benachbarten Reihe sind vorzugsweise in einem Winkel zueinander angeordnet und vorzugsweise orthogonal zueinander.
Die elektrisch leitenden gasdurchlässigen Fasern in jeder Lager werden vorzugsweise mit ihren Achsen im Wesentlichen parallel ausgerichtet und können miteinander in Kontakt stehen.
Die erste Lage aus elektrisch leitenden und Gas durchlässigen Fasern (Anode) und die zweite Lage aus elektrisch leitenden und Gas durchlässigen Fasern (Kathode) müssen voneinander durch die Protonen leitende Schicht der Brennstoffzelle getrennt werden, die zwischen ihnen positioniert ist. Die Lagen sind ebenfalls vorzugsweise durch ein elektrisch isolierendes Polymergitter voneinander getrennt, das die notwendige Trennung zwischen den Lagen der Anode und den Lagen der Kathode aufrecht erhält und einen elektrischen Kurzschluss zwischen den Lagen verhindert.
Jedoch ist es bei der Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung nicht notwendig, eine feste Membran zu verwenden, wie etwa die Nafion-Folie bei herkömmlichen Brennstoffzellen, und die Fasern können durch geeignete Trenneinrichtungen voneinander getrennt werden, die einen Protonenfluss ermöglichen. Die Struktur der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, dass die Fasern in ihrer Position mit einem schmalen Spalt zwischen ihnen fixiert werden können, sodass sie nicht miteinander in Kontakt kommen, wobei jedoch ein Kurzschlussweg zwischen ihnen durch den Elektrolyten vorgesehen ist. Der Elektrolyt kann ein flüssiges, ein gelartiges oder ein festes Polymer sein.
Die individuellen Phasen in jeder Lage sind elektrisch miteinander an einem oder vorzugsweise an beiden Enden zum Beispiel mit Hilfe einer Leiterplatte oder eines Leiterblockes verbunden. Diese Leiterplatte oder dieser Leiterblock können zum Beispiel aus einem mit Silber versetztem Epoxykleber gebildet werden, wie dieser bei elektrischen Schaltkreisen verwendet wird und kommerziell erhältlich ist. Alternativ können die Enden der Fasern mit Kupfer oder Nickel plattiert werden, wobei entweder Elektroplattieren oder stromloses Plattieren angewendet wird, wonach die Enden anschließend zusammengelötet werden. In beiden Fällen kann der so ausgebildete Leiterblock ein Metallgitter enthalten, das die Einrichtung liefert, um eine externe elektrische Verbindung mit der Zelle herzustellen.
Es kann ein Block mit vielen Schichten aufgebaut werden, bei dem eine Anzahl von abwechselnden Lagen vorgesehen ist, nämlich eine Lage aus ersten elektrisch leitenden und Gas durchlässigen Fasern, die Kathoden bilden, und eine Lage aus zweiten elektrisch leitenden und Gas durchlässigen Fasern, die die Anoden bilden, wobei die Fasern in jeder abwechselnden Lage im Wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Die Lagen werden voneinander, wie oben erwähnt, getrennt. Da sowohl die Kathoden-Fasern miteinander verbunden sind und die Anoden-Fasern ebenfalls miteinander in jedem Block verbunden sind, können mehrere Blöcke miteinander in Serie oder parallel verbunden werden, abhängig von den Anforderungen an Spannung und Strom. Eine solche Multizellen-Anordnung kann vorzugsweise in einem einzelnen Polymerblock ausgebildet werden, der alle notwendigen Gasverbindungen enthält, sodass lediglich ein einzelner Satz von Wasserstoff- oder Sauerstoff-Verbindungen notwendig sind, unabhängig von der Anzahl der Zellen. Die Einrichtung zum elektrischen Verbinden der Zellen kann ebenso in dem Block inkorporiert sein und zum Beispiel eine gedruckte Schaltungsanordnung sein, die zum Beispiel in die Oberseite oder die Bodenseite des Blockes eingebaut ist, sodass jede Wahl von seriellen oder parallelen Verbindungen möglich ist, um die gewünschten Anforderungen für Strom und Spannung zu erreichen.
Die erzeugte Elektrizität wird von der Brennstoffzellenstruktur durch einen Leiter abgeleitet, der mit den Enden der hohlen Kohlenstoff-Fasern verbunden ist, wobei herkömmliche Kontakte verwendet werden. Da der erzeugte elektrische Strom aus der Brennstoffzelle durch einen Leiter abgezogen wird, der elektrisch mit den hohlen Fasern verbunden ist, wobei die Achsen der hohlen Kohlenstoff-Fasern, die die Anoden und Kathoden bilden, im Wesentlichen orthogonal zueinander angeordnet sind, wird das Abführen des erzeugten elektrischen Stromes erleichtert.
Die Fasern jeder Lage sind orthogonal zu den Fasern in der benachbarten Lage ausgerichtet, wodurch ebenfalls das Zuführen der Gase zu jeder Lage der Fasern und das Abfuhren von Wasserdampf und allen anderen Gasen oder Dämpfen erleichtert wird, wenn andere Brennstoffe als Wasserstoff verwendet werden.
Wir haben ebenfalls herausgefunden, dass aufgrund der kleinen Größe der Zelle die Wärmeabfuhr verbessert wird und dass keine zusätzlichen Kühleinrichtungen notwendig sind, außer vielleicht einige Kühlrippen an der Ober- und/oder Unterseite des Zellenblockes, wie diese zum Kühlen von Computerchips verwendet werden. Eine weitere Kühlung, falls dieses erforderlich ist, kann zum Beispiel durch eine Gebläseanordnung erfolgen, die für die Kühlung von Prozessorchips in Computer verwendet wird.
Der äußere Durchmesser der einzelnen hohlen Fasern ist vorzugsweise 80 bis 1500 μm, zum Beispiel 80 bis 500 μm und insbesondere bevorzugt 100 bis 300 μm. Die Wandstärke der hohlen Kohlenstoff-Fasern mit vorzugsweise 10 bis 200 μm, zum Beispiel 10 bis 100 μm und insbesondere bevorzugt 20 bis 100 μm. Der Innendurchmesser der einzelnen Fasern ist vorzugsweise 150 bis 1300 μm, bevorzugt 70 bis 250 μm.
Die hohlen Fasern führen die kombinierten Funktionen der Graphitplatten und der Anordnungen aus Karbonpapier bei herkömmlichen oben beschriebenen Brennstoffzellen aus. An sich sollten die Fasern eine ausreichende Leitfähigkeit haben, um den erzeugten Strom ohne einen großen ohmschen Verlust abzuführen. Die elektrische Leitfähigkeit der Fasern kann durch eine Wärmebehandlung bei hoher Temperatur verstärkt werden, obwohl darauf geachtet werden muss, dass eine solche Behandlung die Gasdurchlässigkeit der Faserwände nicht übermäßig reduziert. Im Falle, dass die Durchlässigkeit übermäßig durch die Wärmebehandlung reduziert wird, kann die Porosität und Durchlässigkeit durch eine sorgfältige Oxidation der Faser wieder hergestellt werden. Dies wird bevorzugt ausgeführt, indem ein Dampf oder Kohlendioxid mit hoher Temperatur verwendet wird, um sicherzustellen, dass das aktivierende Gas durch die Faser hindurchdringt.
Die Katalysatoren für Anode und Kathode können innerhalb der äußeren Oberfläche der Kohlenstoff-Fasern durch herkömmliche Präparationstechniken für Katalysatoren abgelegt werden, wobei jedoch vorzugsweise Verfahren verwendet werden, die kein Aufheizen erfordern, um die aktiven Metallkomponenten zu reduzieren. Solche Verfahren schließen zum Beispiel einen Ionenaustausch mit anschließender Reduktion unter Verwendung von zum Beispiel Formaldehyd oder stromloses Plattiere ein. Die Oberfläche der Kohlenstoff-Fasern wird vorzugsweise vor dem Ionenaustausch behandelt, um die Azidität und die Wirkung des Ionenaustausches zu verstärken. Typische Verfahren beinhalten zum Beispiel die Aktivierung mit warmer Luft oder eine Behandlung mit Salpetersäure. Eine vorsichtige Warmluftaktivierung hat den Vorteil, dass die Entwicklung der Azidität auf den Oberflächenbereich der Faser beschränkt wird, wodurch sichergestellt wird, dass das katalytische Metall im Wesentlichen an der Oberfläche der Faser vorliegt und nicht gleichmäßig in der gesamten Faser verteilt ist. Während dieser Schritte muss sorgfältig vorgegangen werden, da die Natur der Kohlenstoff-Fasern und das Verfahren, mit dem der Katalysator hinzugefügt wird, die hydrophoben Eigenschaften der Porenstruktur der Fasern beeinflusst. Es wird nicht angenommen, dass ein Modifikation mit PTFE erforderlich ist, um die Eigenschaften hinsichtlich der Wasserdurchlässigkeit der Fasern zu steuern, obwohl andere chemische Behandlungen, zum Beispiel eine Bromierung, angewendet werden könnten, um die Wasserdurchlässigkeit zu reduzieren.
Der Katalysator der Brennstoffzelle ist nicht kritisch, und es kann jeder Katalysator für eine Brennstoffzelle bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, der mit dem verwendeten Brennstoff zusammen arbeitet. Die meisten Katalysatoren basieren auf Platin oder sind Katalysatoren aus der Platin-Metallgruppe, wobei eine sehr große Anzahl von Katalysatorzusammensetzungen vorgeschlagen worden sind.
Die Länge der Fasern wird durch die Widerstandsfähigkeit der Fasern und das erlaubte Niveau von ohmschen Verlusten in der Zelle festgelegt. Die optimale Zelldimension wird dann eine Funktion der Widerstandsfähigkeit der Faser, der Faserdimensionen und der Eigenschaften beim Betrieb der Zelle sein. Die hohe volumetrische Effizienz der Konstruktion mit einer hohlen Faser erlaubt den Betrieb der Zelle bei wesentlichen niedrigeren Stromdichten (A/cm²) als dieses normalerweise möglich ist, wobei bei niedrigeren Leistungsdichten hohe Widerstandsfähigkeit der Fasern und längere Faserlängen toleriert werden können. Für eine sehr effektive Zellkonstruktion werden Fasern mit der maximal möglichen Länge verwendet, die ohmschen Verlusten unterworfen sind, da dieses die Anzahl der Endverbindungen an den Fasern, die notwendig sind, minimiert. Wenn Luft als Oxidationsmittel verwendet wird, ist das Volumen der erforderlichen Luft viel größer als das Volumen eines Brennstoffes so zum Beispiel Wasserstoff, das durch die Brennstoff enthaltenen Fasern hindurchfließt, wobei dieses zu einer Zelle führen könnte, bei der die Luft führenden Fasern einen größeren Durchmesser als die den Wasserstoff führenden Fasern haben, wobei die Faser eine Länge von etwa 1 cm oder größer, zum Beispiel 5 cm, und eine Oberfläche von etwa 0,6 cm² hat.
Protonen leitende Materialien, die bei einer Brennstoffzellenkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, schließen jedes bekannte Protonen leitende Material ein und sind nicht beschränkt auf die festen Polymer-Elektrolyt-Membranen, die in herkömmlichen Zellen verwendet werden. Mögliche Elektrolyten umfassen solche, die in Brennstoffzellen verwendet und für diese Verwendung beschrieben sind.
In herkömmlichen PEM-Brennstoffzellen mit bipolaren Platten werden die kompletten Elektrodenstrukturen üblicherweise entwickelt, indem entweder (i) vorgeformte Elektrodenstrukturen verwendet werden, die einen Kohlenstoff unterstützen Katalysator und Polytetrafluorethylen enthalten und dann in einem finalen Verfahrensschritt mit einer löslichen Elektrolytkomponente versehen werden, oder indem (ii) der Elektrokatalysator und die löslichen Polymerkomponenten vorgemischt werden und anschließend in einem einzigen Beschichtungsschritt aufgebracht werden. Solche Elektrodenstrukturen werden dann üblicherweise auf das Kohlenfaser-Substrat „gedruckt", um die komplette Elektrodenstruktur zu bilden (vergl. Ralph et al, 1997, J Electrochem Soc, 144, 11, 3845). Bei dieser Erfindung wird der Katalysator vorzugsweise auf die Kohlenstoff-Fasern präimprägniert, und die Kohlenstoff-Fasern dann aufgebaut werden wonach der freie Raum zwischen den Fasern mit einer leitenden Polymermembran aufgefüllt wird.
Wenn eine feste Membranform vom „Nafion"-Typ verwendet wird, werden die Fasern in jeder Lage durch die Membran voneinander getrennt, wobei eine Blockstruktur aufgebaut werden kann, in der die Faser in jeder Lage von den Fasern in der benachbarten Lage getrennt und in Position durch die Membran gehalten werden. Diese Struktur kann aufgebaut werden, indem die Membran zwischen die Lagen aus kann aufgebaut werden, indem die Membran zwischen die Lagen aus ersten und zweiten hohlen Fasern platziert wird, wonach die Struktur warm gepresst wird, um eine kompakte Struktur zu bilden. Alternativ kann das Polymer zum Beispiel durch Gießen in einer Lösung hinzugefügt werden. In diesem Falle ist es bevorzugt, obwohl nicht wesentlich, eine Trenneinrichtung mit einem Polymermaschengitter zu verwenden. Im Falle von flüssigen oder gelartigen Elektrolyten ist es notwendig, die Trenneinrichtung mit einem Polymersieb zu verwenden.
Die Kohlenstoff-Fasern, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können durch bekannte Verfahren hergestellt werden, zum Beispiel mit Hilfe von Polymer-Zwischenprodukten.
Die Erfindung sieht eine Struktur einer Brennstoffzelle vor, die kompakt ist und ein höheres Leistung-/Gewichts-Verhältnis und ein höheres Leistung-/Volumen-Verhältnis als existierende Brennstoffzellen aufweist. Dieses macht die Zelle ideal für die Verwendung in zum Beispiel tragbaren elektrischen Einrichtungen, wie Computern, Leistungswerkzeugen, etc.
Die Brennstoffzelle auf Basis von Kohlenstoff-Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung gestattet einen Betrieb bei niedrigeren Stromdichten, möglicherweise im Bereich von 100 bis 200 mA/cm² und daher einen höheren Wirkungsgrad, ohne dass die gesamte volumetrische Effizienz beeinträchtigt wird.
Die Erfindung wird in Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben, in der 1 sich auf bekannte Brennstoffzellen bezieht und in der:
1 eine schematische Ansicht einer Zelle mit einer PEM-Anordnung aus bipolaren Platten zeigt;
2 eine schematische Ansicht eines Teiles einer Brennstoffzelle gemäß der Erfindung zeigt, in der die Anordnung der Fasern dargestellt ist;
3 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispieles gemäß der Erfindung ist;
4 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles gemäß der Erfindung ist;
5 eine schematische Darstellung des Gasflusses durch einen Zellenblock zeigt;
6 und 7 Darstellungen sind, die elektrische Verbindungen zwischen individuellen Zellen zeigen;
8 einen Plan einer Lage in einem Zellenblock zeigt; und
9 eine Explosionsdarstellung einer Brennstoffzellenanordnung ist.
Gemäß 1 weist die Zelle eine bipolare Platte (41), ein PTFE-Karbonpapier (42), eine Polymermembran (43) auf Nafion und „Platintinte" (44) auf. Die bipolaren Graphitplatten (41) sind dünne Graphitplatten mit komplex geformten Wegen, die auf beiden Oberflächen maschinell eingearbeitet sind, um die Gasverteilung auf die Katalysatorlage zu maximieren. Diese Platten haben eine Dicke in der Größenordnung von 2 mm. Die Katalysatorschicht weist ein Karbonpapier (42) auf, welches mit PTFE imprägniert ist, um die Wasserströmung und den Grad der Hydration des Elektrolyten zu steuern, und ferner imprägniert ist mit dem Elektrodenkatalysator auf der Oberfläche, die in Kontakt mit der Protonen leitenden Membran steht. Der Katalysator weist Platin, Metalle aus der Platin-Gruppe oder Mischungen aus diesen in der Form eines hochdispergierten Platins auf, mit denen das Karbonpapier (44) getränkt ist. Diese Papierschicht ist typischerweise etwa 200 μm dick.
Die Hauptzuführgase, nämlich Wasserstoff und Sauerstoff, werden jeweils einer Seite der Platte zugeführt.
Gemäß 2 sind die Fasern und Röhren in ein mit (11) bezeichnetes Nafion-Polymer eingebettet und die Platinbeschichtung auf den Fasern (1) und (3b) ist mit (10a) bzw. (10b) bezeichnet. Der Sauerstoff strömt durch die Passage (1a) in Richtung des Pfeiles. Der Sauerstoff kann durch die Wände der Faser (1) zu der Platinschicht (10a) diffundieren. In den Wasserstoff führenden Fasern (3) strömt der Wasserstoff durch die Passage (3a) und kann durch die Wände der Faser (3) zu der Platinschicht (10b) diffundieren. Ein Kühlmittel fließt stromabwärts der Metallröhren (2) in Richtung von (2a).
Während des Betriebes wird die Nafion-Membran mit Wasser befeuchtet, wobei Wasserstoff stromabwärts durch die Fasern (3) und Sauerstoff oder Luft durch die Fasern (1) strömt, wobei der Wasserstoff durch die Fasern (3) diffundiert und an der Platinschicht (10b)/Nafion-Grenzschicht ionisiert wird, wodurch H⁺ Ionen erzeugt werden, wobei dann, wenn der Sauerstoff durch die Fasern (1) diffundiert, er an der Platinschicht (10a)/Nafion-Zwischenschicht ionisiert wird, wobei OH^–-Ionen erzeugt werden und die H⁺- und OH^–-Ionen miteinander kombinieren und Wasser bilden, wobei elektrischer Strom erzeugt wird. Das Wasser diffundiert hauptsächlich durch die Fasern (3) und wird in den Luft- oder Sauerstoffstrom abgegeben.
Die Enden der Fasern (1) und die Enden der Fasern (3) werden miteinander durch leitende Platten verbunden, um die erforderliche zu erzeugende Spannung durch den Zellenblock zu ermöglichen.
Gemäß 3 wird eine Anzahl von Fasern (1) Seite an Seite in Reihen angeordnet, wodurch eine erste Lage von Fasern erzeugt wird, wobei die hohlen Fasern (3) ähnlich angeordnet sind, um eine zweite Lage zu bilden, wobei die Fasern in jeder Lage orthogonal zu den Fasern in der benachbarten Lage verlaufen. Der Sauerstoff oder die Luft fließt durch die Fasern (1), und der Brennstoff, zum Beispiel Wasserstoff, fließt durch die Fasern (3), wie dieses zu 1 beschrieben ist, wobei die Enden der Fasern (1) in einem leitenden Block (14) abgestützt sind. Die Fasern (1) und (3) werden mit Hilfe eines isolierenden Maschengitters (12) voneinander entfernt gehalten, sodass ein gelartiger Elektrolyt anstelle der „Nafion"-Membran, die in 1 gezeigt ist, verwendet werden kann.
In 4 sind die Reihen aus Fasern durch ein isolierendes Polymermaschengitter (15) voneinander getrennt gehalten.
In 5 sind schematisch zwei Reihen aus Fasern (16) und (17) gezeigt, wobei die Fasern in der Reihe (16) den Fasern (1) in den 2 oder 3 entsprechen und die Fasern (3) in der Reihe (17) Fasern entsprechend denen der 2 oder 3 sind. Die Enden jeder Reihe der Fasern werden elektrisch miteinander verbunden und in einem Block (18) gehalten. Um einen Zellenblock zu bilden, werden mehrere Reihenpaare zusammengesetzt, wie dieses in 6 gezeigt ist, wobei ein Block aus zusammengesetzten Fasern entsprechend 5 in einem Stapel gehalten wird.
In 7 sind sechs Zellenblöcke gezeigt, die miteinander verbunden sind, wobei ferner angegeben ist, wie das Gas durch den Block fließt. Wasserstoffbrennstoff tritt bei dem Eingang (19) ein, folgt dem gezeigten Weg und tritt bei (20) aus. Luft tritt bei (21) ein, fließt entlang des gezeigten Weges und tritt bei (22) aus. Der Wasserstoff und die Luft fließen durch ihre entsprechenden Fasern, wie oben beschrieben.
8 und 9 zeigen zwei unterschiedliche elektrische Verbindungen für den Block aus Zellen gemäß 7.
Die gewählte Anordnung hängt von den Anforderungen an die Spannung und den Strom und und von dem spezifischen Widerstand der Fasern ab.
Leistungsdichten für Faserzellen sind in der Tabelle angegeben.

Die Leistungsdichten in W/cm³ für die Faserdimensionen, die in den Tabellen angegeben sind, wurden bestimmt, indem eine vermutete Stromdichte in mA/cm², die zur Verfügung stehende Faseroberfläche in einem gegebenen Zellvolumen und die erwartete Betriebsspannung verwendet wurden. Die zur Verfügung stehende Faseroberfläche wurde als die äußere Oberfläche einer Faser angenommen, die erwartete Betriebsspannung wurde als Differenz zwischen der idealen Zellspannung (0,75) und den erwarteten Verlusten berechnet. Die erwarteten Spannungsverluste sind ohmsche Verluste, die eine integrierte Funktion der Querschnittsfläche der Fasern, deren Länge und des spezifischen Widerstandes sind. Drei Fälle sind in den Tabellen gezeigt; diese repräsentieren unterschiedliche spezifische Widerstandswerte für die Kohlenstoff-Fasern, nämlich 1 × 10^–6, 1 × 10^–5 und 1 × 10^–4 Ohm m. Dieser Bereich für den spezifischen Widerstandswert deckt ab, was am ehesten für die Kohlenstoff-Fasern erwartet wird, die in dieser verbesserten Konfiguration einer Brennstoffzelle verwendet werden. „od" ist der Außendurchmesser der Faser und „id" ist der Innendurchmesser der Faser. Tabelle 1 Spezifischer Widerstand = 1 × 10^–6 Ohm

Faser od μm	Wanddicke μm	Faser id μm	Faserlänge μm	Stromdichte mA/cm²	Leistungsdichte W/cm³	Ohmscher spann.verlust	Betriebsspannung

200	25	150	1.0	100	10.41	00024	0.748
300	25	250	1.0	180	7.22	0.0023	0.748
200	50	100	1.0	100	10.42	0.0014	0.749
300	50	200	1.0	100	7.23	0.0012	0.749
200	25	150	1.0	200	26.02	0.0024	0.748
300	25	250	1.0	200	18.05	0.0023	0.748
200	50	100	1.0	200	26.06	0.0014	0.749
300	50	200	1.0	200	18.07	0.0012	0.749

400	50	300	1.0	500	27.66	0.0012	0.749
800	50	700	1.0	500	14.26	0.0011	0.749
400	100	200	1.0	500	27.68	0.0007	0.749
800	100	600	1.0	500	14.27	0.0006	0.749
400	50	300	1.0	750	41.49	0.0012	0.749
800	50	700	1.0	750	21.39	0.0011	0.749
400	100	200	1.0	750	41.52	0.0007	0.749
800	100	600	1.0	750	21.41	0.0006	0.749

1000	100	800	1.0	750	17.23	0.0006	0.749
1500	100	1300	1.0	750	11.58	0.0006	0.749
1000	200	600	1.0	750	17.24	0.0003	0.750
1500	200	1100	1.0	50	11.59	0.0003	0.750
1000	100	800	1.0	900	20.68	0.0006	0.749
1500	100	1300	1.0	900	13.90	0.0006	0.749
1000	200	600	1.0	900	20.68	0.0003	0.750
1500	200	1100	1.0	900	13.90	0.0003	0.751

Tabelle 2 Spezifischer Widerstand = 1 × 10^–5 Ohm

Faser od μm	Wanddicke μm	Faser id μm	Faserlänge μm	Stromdichte mA/cm²	Leistungsdichte W/cm³	Ohmscher spann.verlust	Betriebsspannung

200	25	150	1.0	100	10.11	0.0238	0.726
300	25	250	1.0	100	7.02	0.0227	0.727
200	50	100	1.0	100	1025	0.0139	0.736
300	50	200	1.0	100	7.12	0.0125	0.738
200	25	150	1.0	200	2528	0.0238	0.726
300	25	250	1.0	200	17.56	0.0227	0.727
200	50	100	1.0	200	25.62	0.0139	0.736
300	50	200	1.0	200	17.80	0.0125	0.738

400	50	300	1.0	500	27.27	0.0119	0.738
800	50	700	1.0	500	14.07	0.0111	0.739
400	100	200	1.0	500	27.45	0.0069	0.743
800	100	600	1.0	500	14.17	0.0059	0.744
400	50	300	1.0	750	40.90	0.0119	0.738
800	50	700	1.0	750	21.11	0.0111	0.739
400	100	200	1.0	750	41.18	0.0069	0.743
800	100	600	1.0	750	21.25	0.0059	0.744

1000	100	800	1.0	750	17.11	0.0058	0.744
1500	100	1300	1.0	750	11.51	0.0056	0.744
1000	200	600	1.0	750	17.17	0.0033	0.747
1500	200	1100	1.0	50	11.55	0.0030	0.747
1000	100	800	1.0	900	20.53	0.0058	0.744
1500	100	1300	1.0	900	13.81	0.0056	0.744
1000	200	600	1.0	900	20.60	0.0033	0.747
1500	200	1100	1.0	900	13.85	0.0030	0.747

Tabelle 3 Spezifischer Widerstand = 1 × 10^–4 Ohm

Faser od μm	Wanddicke μm	Faser id μm	Faserlänge μm	Stromdichte mA/cm²	Leistungsdichte W/cm³	Ohmscher spann.verlust	Betriebsspannung

200	25	150	1.0	100	7.13	0.2377	0.512
300	25	250	1.0	100	5.05	0.2269	0.523
200	50	100	1.0	100	8.51	0.1387	0.611
300	50	200	1.0	100	6.04	0.1248	0.625
200	25	150	1.0	200	17.83	0.2377	0.512
300	25	250	1.0	200	12.63	0.2269	0.523
200	50	100	1.0	200	21.28	0.1387	0.611
300	50	200	1.0	200	15.09	0.1248	0.625

400	50	300	1.0	500	23.32	0.1189	0.631
800	50	700	1.0	500	12.17	0.1109	0.639
400	100	200	1.0	500	25.15	0.0693	0.681
800	100	600	1.0	500	13.15	0.0594	0.691
400	50	300	1.0	750	34.97	0.1189	0.631
800	50	700	1.0	750	18.25	0.1109	0.639
400	100	200	1.0	750	37.72	0.0693	0.681
800	100	600	1.0	750	19.73	0.0594	0.691

1000	100	800	1.0	750	15.92	0.0578	0.692
1500	100	1300	1.0	750	10.73	0.0557	0.694
1000	200	600	1.0	750	16.5	0.0325	0.718
1500	200	1100	1.0	50	11.13	0.0300	0.720
1000	100	800	1.0	900	19.10	0.0578	0.692
1500	100	1300	1.0	900	12.88	0.0557	0.694
1000	200	600	1.0	900	19.8	0.0325	0.718
1500	200	1100	1.0	900	13.35	0.0300	0.720

Claims

Brennstoffzelle mit zwei Elektroden, die durch ein Elektrolytmedium getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine erste hohle elektrisch leitende und Gas durchlässige Kohlenstoff-Faser (3) vorgesehen ist, die auf ihrer Außenseite mit einem Brennstoffzellenkatalysator (10b) beschichtet ist und mit einer Einrichtung versehen ist, die es ermöglicht, Brennstoffdampf oder Brennstoffgas durch den Innenraum der Faser strömen zu lassen, und dass zumindest eine zweite hohle elektrisch leitende und Gas durchlässige Kohlenstoff-Faser (1) vorgesehen ist, die auf ihrer Außenseite mit einem Brennstoffzellenkatalysator (10a) beschichtet ist und mit einer Einrichtung versehen ist, die es ermöglicht, Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas durch das Innere der Faser strömen zu lassen, wobei die ersten und die zweiten Kohlenstoff-Fasern durch ein Elektrolytmedium voneinander getrennt sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolytmedium ein fester Polymerelektrolyt, ein flüssiger oder ein gelartiger Elektrolyt ist, oder dass eine Protonen leitende Brennstoffzellenschicht (11) vorgesehen ist, die zwischen der ersten und der zweiten Kohlenstoff-Faser gelegen ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere erste und zweite hohle elektrisch leitende und Gas durchlässige Fasern vorgesehen sind, wobei die ersten hohlen elektrisch leitenden und Gas durchlässigen Fasern nebeneinander angeordnet sind, um eine erste Lage der Fasern (17) zu bilden, wobei die zweiten hohlen elektrisch leitenden und Gas durchlässigen Fasern nebeneinander angeordnet sind, um eine zweite Lage der zweiten hohlen elektrisch leitenden und Gas durchlässigen Fasern (16) zu bilden, wobei die Fasern in benachbarten Lagen in einem Winkel zueinander angeordnet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in benachbarten Lagen im Wesentlichen orthogonal zueinander angeordnet sind, und dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden und Gas durchlässigen Fasern in jeder Lage mit ihren Achsen im Wesentlichen zueinander parallel ausgerichtet sind.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch isolierendes Maschengitter (15) vorgesehen ist, das die ersten und zweiten Fasern voneinander trennt.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Fasern in jeder Lage elektrisch miteinander an einem oder beiden Enden verbunden sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Fasern in jeder Lage durch einen Verbindungsblock (18) miteinander elektrisch verbunden sind, der ein Metallgitter aufweist, das die Einrichtung zum Herstellen der externen elektrischen Verbindung mit der Zelle bildet.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Durchmesser der einzelnen hohlen Fasern zwischen 80 und 500 μm liegt.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der hohlen Kohlenstoff-Faser zwischen 10 und 100 μm liegt.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser der einzelnen Fasern zwischen 70 und 250 μm liegt.