WO2001015256A2

WO2001015256A2 - Stromkollektor für eine brennstoffzelle

Info

Publication number: WO2001015256A2
Application number: PCT/DE2000/002844
Authority: WO
Inventors: Andrej Kulikovsky; Jiri Divisek; Alexej Kornyshev
Original assignee: Forschungszentrum Jülich GmbH
Priority date: 1999-08-21
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2001-03-01
Also published as: WO2001015256A3; DE19939727A1

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

B e s c h r e i b u n g

Stromkollektor für eine Brennstoffzelle

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

Ein typisches Beispiel für solche Brennstoffzellen ist die Wasserstoff-Brennstoffzelle mit Polymerelektrolyten (PE FC) oder die Direkte Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) , bei denen Wasserstoff oder Methanol bei niedri- ger Temperatur direkt verströmt 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 weisen in der Regel eine durchgehende Porosität auf, damit die beiden Betriebsmittel Oxidationsmittel und Brennstoff den aktiven Bereichen der Elektroden zugeführt werden können. Die Elektrode ist so strukturiert, daß in einer Kollektor-Verteilerplatte abwechselnd Zuleitungskanäle 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 (Verteilungsbzw. Diffusionsschicht) aufgepreßt, die zum einen der Gas- (Flussigkeits) -Verteilung, zum anderen der Verteilung des elektrischen Stromes dient. Die letzte Schicht ist die Katalysatorschicht, in der die eigentlichen elektrochemisch katalysierten Vorgange stattfinden.

Durch die oben beschriebene Konstruktion bedingt ist die Oberflache der porösen Diffusionsschicht für die flussigen bzw. gasformigen Betriebsstoffe nur teilweise in Kanalbereichen der Massenzufuhr zuganglich, da die restliche Oberflache durch die Stromkollektoren zugedeckt und dadurch abgeschirmt ist. Diese Geometrie der Stromzufuhrungen hat zwei wesentliche Nachteile. Zum einen entstehen dadurch Unregelmäßigkeiten in der Zufuhr 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- sehe Kanteneffekte, die dort zu einer Überhöhung der lokalen Stromdichte fuhren und große Unregelmäßigkeiten in der Fuhrung 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 Flussigkeitsfuhrung zumindest teilweise zu beheben. Nach diesem Verfahren wird durch die Trennung der Gaszufuhr 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 Nachteil, 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 hydrodynamischen Sinne nicht vorteilhaft ist, da entlang der Stromverteilerplatte Gebiete entstehen, weiche nicht angeströmt werden, so daß die Optimierung der Massenverteilung 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 aufgrund von Inhomogenitäten der Betriebsstoffe regelmäßig deutlich zu verringern.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Stromkollektor mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Geometrie der Stromzuführungen eines Stromkollektors so zu gestalten, daß eine entlang des Leitungsgerüstes erzwungene Betriebsmittelströmung gewährleistet wird, ohne daß die elektronisch leitende, auf der porösen Diffusi- onsschicht liegende Kollektor-Verteilerplatte den unter ihr liegenden Bereich abschirmt. Der anspruchsgemaße Stromkollektor umfaßt ein waben-, netz- oder fadenförmiges Leitungsgerust sowie eine äußere Kollektor-Verteilerplatte, beides aus elektronisch gut leitendem Material, wie beispielsweise Kohlenstoff- faden oder kohlenstoffbeschichtetem Metall. Die Form der Innenraume des Leitungsgerustes kann quadratisch, zylindrisch oder auch polyedrisch sein. Das Leitungsgerust ist dadurch gekennzeichnet, daß es in die Katalysatorschicht hineinreicht. Vorteilhaft reicht sie durch die gesamte Katalysatorschicht hindurch bis zu einer angrenzenden Membran. Das Leitungsgerust ist in eine elektronisch leitende Diffusionsschicht mit mindestens 40% Porosität so eingebettet, so daß dessen Innenraume das hochporose, Betriebsmittel-durchlassige Material der Diffusionsschicht aufweisen.

Unter Betriebsmittel ist dabei auf der Anodenseite ein Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff oder Methanol, und auf der Kathodenseite ein Oxidationsmittel, wie z. B. Luft oder Sauerstoff zu verstehen. Das Leitungsgerust ist elektronisch leitend mit einer äußeren Kollektor-Verteilerplatte verbunden. Diese Kollektor-Verteilerplatte ist derart durchbrochen, daß das Betriebsmittel aus den Betriebsmittelleitungen durch die Kollektor-Verteilerplatte ins Innere des Leitungs- gerustes gelangen kann. Vorteilhaft weist die Kollektor-Verteilerplatte überall dort Durchbruche auf, wo die mit Betriebsmittel-durchlassigem Material gefüllten Innenraume des Leitungsgerustes angrenzen. Dies bewirkt, daß die Kollektor-Verteilerplatte keine oder nur sehr geringe Bereiche der Diffusionsschicht abdeckt. Da die Innenraume des Leitungsgerustes selbst von den Be- triebsmittelzufuhrungskanalen bis zur Katalysatorschicht durchgangig sind, wird so der ungehinderte Betriebsmitteltransport von den Leitungen durch das poro- se Material der Diffusionsschicht im Inneren des Leitungsgerüstes bis zur Katalysatorschicht und zurück zu den Betriebsmittelleitungen gewährleistet.

Der anspruchsgemäße Stromkollektor bewirkt, daß Inhomogenitäten des Betriebsmitteltransportes verhindert werden, was eine Homogenisierung der Stromdichteverteilung in der Katalysatorschicht zur Folge hat. Dabei ist in vorteilhafter Weise nahezu die gesamte Querschnittsflä- ehe 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 zylindrische Waben im Leitungsgerüst auf.

Besonders vorteilhaft ist auch ein Stromkollektor, bei dem die äußere Kollektor-Verteilerplatte Leitungsstege aufweist, welche die Wabenwände durchkreuzen. Die Geometrie 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 Betriebsmittelaustausch aus der Betriebsmittelleitung durch die Kollektor-Verteilerplatte hindurch kann vorteilhaft über den gesamten Querschnitt der Diffusionsschicht stattfinden.

Um zu verhindern, daß ionische Bestandteile des Leitungsgerüstes des Stromkollektors durch die Katalysatorschicht hindurch bis zur angrenzenden Elektrolytmembran dringen und dort Vergiftungserscheinungen auftreten, wird in einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Stromkollektors das wabenförmige Leitungsgerüst in dem Bereich, in dem es in die Katalysatorschicht hineinreicht, mit Kohlenstoff beschichtet. Dies verhindert das Freisetzen von Ionen aus dem Leitungsgerüst in diesem Bereich.

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

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

Figur 2: Schema von anspruchsgemäßen Stromkollektoren (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.

Figur 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.

Figur 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 (0₂) in der Kathode.

Figur 5: Rechtwinklige Geometrie einer Kollektor- Verteilerplatte mit langen rechteckigen

Durchbrüchen .

Figur 6: Kreisförmige Geometrie einer Kollektor- Verteilerplatte mit kreisförmigen Durchbrüchen. Die Mittelpunkte der Kreise liegen auf den Eckpunkten eines hexagonalen Gitters .

Figur 7 : Wabenförmige Sechskantgeometrie einer Kollektor-Verteilerplatte . Das Leitungsgerüst befindet sich auf den Verbindungspunkten eines hexagonalen Gitters.

Der erfindungsgemäße elektronisch gut leitende Stromkollektor 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) kontaktiert sind, welche den Massenzugang in jedem der Betriebsmittelseite zugewandten äußeren Kollektorende frei ermöglicht, so kann der elektrische Strom der porösen Diffusionsschicht ohne Massenabschirmungseffekte zugeführt werden. Die Kollektor-Verteilerplatten können auch das übliche System von Leitungsstegen/Gaskanalen haben, die in Kreuzrichtung zu den Wabenwanden ausgerichtet sind. Dadurch ist die vollständige Querschnittsflache der Elektrode dem einströmenden Brenn- stoff (8) bzw. dem Oxidationsmittel (7) zuganglich und die Zonen mit reduzierter Konzentration werden eliminiert. Durch diese homogene Verteilung des Brennstoffs bzw. des Oxidationsmittels in der Katalysatorschicht werden auch Polarisationseffekte vermieden, welche sonst die Ausbildung von Heterogenitaten des elektrischen Feldes in der Diffusions- und der Katalysatorschicht entstehen lassen und zu den Verlusten an der Zellspannung fuhren. Die Geometrie der Einzelzelle, deren Querschnitt in Fig. 2 dargestellt ist, kann entlang der Kollektorlange planar quadratisch, hexagonal oder auch tubular sein, je nach Konstruktionsbedarf.

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

In Fig. 3 ist eine derartige Verteilung der elektroni- sehen Stromdichte in der porösen Diffusionsschicht, der elektrochemischen Reaktionsrate in der Katalysatorschicht sowie der Protonenstromdichte in der Polymermembran der Brennstoffzelle dargestellt.

In Fig. 4 wird die sehr homogene Konzentrationsverteilung der Betriebsstoffe (Methanol als Brennstoff bzw. Sauerstoff als Oxidationsmittel) wahrend des Zellbetriebs in dem jeweiligen Elektrodenkorper (Anode bzw. Kathode) der Brennstoffzelle dargestellt.

In Fig. 5, 6 und 7 werden drei Beispiele der konstruktiven Ausfuhrung f r eine Kollektor-Verteilerplatte gezeigt .

Die Aufsicht erfolgt aus der z-Richtung gemäß der Figur 2. Die metallischen Profile des Leistungsgerustes (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 Leitungsgerustes (2) zu verhindern, sollen zumindest die Teile des Leitungsgerustes, die in die Katalysatorschicht (4) hineinreichen, mit Kohlenstoff beschichtet sein. Die Wabeninnenraume sind mit Teilen der porösen Schicht/Katalysatorschicht ausgefüllt, de- ren Profil in Fig. 2 dargestellt ist. Zwei derartige

Anordnungen eines Stromkollektors werden auf beide Seiten 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 Stromkollektoren zeigt Fig. 6. Die Öffnungen sind ringförmig und mit der Masse der porösen Diffusionsschicht/Katalysatorschicht ausgefüllt. Mit diesen Profilen wurden auch die Computersimulationen, die in den Fig. 3-4 zu sehen sind, durchgeführt.

Diese Stromkollektoranordnungen befinden sich auf beiden Seiten des Polymerelektrolyten in einer sandwichartigen Anordnung.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Stromkollektor für eine Brennstoffzelle, die eine Katalysatorschicht (4), eine hochporöse Diffusionsschicht (3) sowie Betriebsmittelzu- bzw. abführungs- leitungen (7, 8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkollektor ein waben-, netz- oder fadenförmiges Leitungsgerüst (2) und eine äußere Kollektor-Verteilerplatte (9) aufweist, das Leitungsgerüst in der porösen Diffusions- Schicht eingebettet und bis in die Katalysatorschicht hineinreicht, und das Leitungsgerüst mit der äußeren Kollektor-Ver teilerplatte elektronisch leitend verbunden ist.

2. Stromkollektor für eine Brennstoffzelle nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungsgerüst durch die Katalysatorschicht hindurchreicht bis an eine angrenzende Mem- bran.

3. Stromkollektor für eine Brennstoffzelle nach vorhergehendem Anspruch, dadurch ge kennzeichnet , daß die Porosität der Diffusionsschicht (3) zwischen 40 % und 100 % liegt.

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

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

6. Stromkollektor für eine Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Anspr che, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungsgerust (2) quaderformige Waben aufweist .

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

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