Be s chre ibung
KathodendiffusionsSchicht einer Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft eine Kathodendiffusionsschicht einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Direkt-Methanol- Brennstoffzelle (DMFC) .
Stand der Technik
Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM-FC) sind die zurzeit am weitesten entwickelten Brennstoffzellen. Sie wei¬ sen eine kompakte Bauweise auf und erzielen ein gutes Ener¬ gie/Gewichtsverhältnis. Die Polymerelektrolytmembran-Brenn- stoffzelle arbeitet bei moderaten Temperaturen um 80 0C. Der Wirkungsgrad beträgt annähernd 50 Prozent.
Als Alternative zu mit Wasserstoff betriebenen Polymerelekt¬ rolytmembran-Brennstoffzelle werden auch die so genannten Direktalkohol-Brennstoffzellen untersucht. Diese verwenden einen bei Raumtemperatur flüssigen Brennstoff, wie bei¬ spielsweise Methanol, welches in der Brennstoffzelle direkt, das heißt ohne vorherige Reformation, elektrochemisch umge¬ setzt wird. Die Vorteile der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle sind insbesondere das geringe Systemvolumen und -gewicht, das einfache Design, eine einfache Betriebsweise mit schnel¬ lem Ansprechverhalten sowie geringe Investitions- und Be¬ triebskosten. Nachteilig werden bei der DMFC derzeit noch deutlich geringere Wirkungsgrade als bei einer mit Wasser- Stoff betriebenen Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle erzielt.
Bei dem Betrieb einer DMFC wird Wasser sowohl durch diffusi- ve, als auch durch elektro-osmotische Triebkräfte von der Anode durch die Membran auf die Kathoden-Katalysatorschicht transportiert. Von dort kann es nur gasförmig durch die Dif-
fusionsschicht in die Kathodenluft strömen. Ist der Wasser¬ anfall in der Kathoden-Katalysatorschicht zu groß, konden¬ siert der Wasserdatnpf aus und blockiert nachteilig einen Teil der aktiven Katalysatorfläche (Flooding) .
Bisherige Membran-Elektroden-Einheiten einer Direkt- Methanol-Brennstoffzelle werden auf der Kathode mit einer Diffusionsschicht konstanter Transportparameter ausgestat¬ tet. Die Transportparameter der Schicht werden üblicherweise entsprechend einer optimierten SauerstoffVersorgung der Ka¬ thoden-Katalysatorschicht ausgelegt.
Die Betriebsparameter, die den diffusiven Wassertransport durch die Diffusionsschicht der Kathode bestimmen, ändern sich stark entlang der Membranfläche einer Direkt-Methanol- Brennstoffzelle. Beispielsweise, ist am Eintritt der Wasser¬ dampfgehalt der Kathodenzuluft sehr gering. Dies bewirkt einen großen Wasserstrom von der Kathoden-Katalysatorschicht zur Kathodenluftkernströmung. Dabei fließt neben dem Drag- Wasser auch ein bestimmter Betrag Diffusionswasser von der
Anodenseite durch die Membran. Hier wäre eine dichte Diffu¬ sionsschicht optimal, die den Betrag des Diffusionswassers minimiert.
Am Ausgang der Zelle liegt hingegen in der Kathodenluft eine vergleichsweise hohe Wasserdampfkonzentration vor. Dies be¬ wirkt eine geringere Triebkraft für den Wasserabtransport aus der Kathoden-Katalysatorschicht. Bei einer dichten Dif¬ fusionsschicht besteht nun die Gefahr, dass das stromgekop- pelte Drag-Wasser nicht gasförmig durch die Diffusions- schicht transportiert werden kann, und entsprechend Wasser¬ dampf auskondensiert. Hier wäre eine möglichst durchlässige Diffusionsschicht optimal.
Eine Diffusionsschicht mit konstanten Transportparametern kann daher ein optimales Wassertnanagement über die gesamte aktive Fläche nicht gewährleisten.
Aufgabe und Lösung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, bei der durch eine besondere Ausfüh¬ rung der Kathoden-Diffusionsschicht, der nicht stromabhängi- ge Diffusionswassertransport durch die Membran minimiert, um so die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle im Vergleich zum Stand der Technik erhöht wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Brennstoff- zelle mit der Gesamtheit an Merkmalen gemäß Hauptanspruch, sowie durch einen Brennstoffzellenstapel gemäß Nebenan¬ spruch. Vorteilhafte Ausführungen der Brennstoffzelle sowie des Brennstoffzellensystems finden sich in den darauf rück¬ bezogenen Ansprüchen.
Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mit einer besonderen Ausführung der Kathodendiffusions- schicht. Diese Kathodendiffusionsschicht weist im Unter¬ schied zum Stand der Technik, wo die Kathodendiffusions¬ schicht über die gesamte aktive Fläche konstante Transport¬ parameter aufweist, entlang eines oder mehrerer Kathodenka¬ näle unterschiedliche Transportparameter auf.
Neben dem Anteil an so genanntem "Drag-Wasser", welches mit dem Methanol durch die Membran mitgerissen wird, gelangt auch ein Anteil Diffusionswasser von der Anode durch die Membran. Der Anteil an Diffusionswasser ergibt sich aus dem
Konzentrationsgefälle des Wasserdampfpartialdrucks im Ano¬ den- und Kathodenraum.
Während beim Betrieb der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle der Wasserdampfpartialdruck im Anodenraum nahezu konstant ist, findet im Kathodenraum entlang der Kathodenkanäle regelmäßig eine AufSättigung mit Wasserdampf statt. Der Konzentrations- gradient ist daher beim Eintritt der Luft in den Kathoden¬ raum besonders groß, daher auch die Triebkraft für das Dif- fusionswasser. Am Ausgang des Kathodenraums liegt jedoch eine hohe WasserdampfSättigung vor, so dass das Konzentrati¬ onsgefälle und damit die Triebkraft für den diffusiven Was¬ sertransport, deutlich geringer ausfallen. Ziel sollte es daher sein, besonders am Ende des oder der Kathodenkanäle den Wassertransport durch die KathodendiffusionsSchicht zu verbessern.
Unterschiedliche Transportparameter in einer Kathodendiffu¬ sionsschicht können durch verschiedene Mittel bewirkt wer- den. Einerseits bietet sich die Variation der Porosität der
Kathodendiffusionsschicht als ein geeignetes Mittel an. Im Sinne der Erfindung kann beispielsweise die Porosität ent¬ lang der Kathodenkanäle zunehmen. Dabei kann die Kathoden¬ diffusionsschicht einerseits eine graduelle, und/oder auch eine stufenweise Erhöhung der Porosität einer Schicht mit konstanter Dicke aufweisen.
Andererseits kann aber auch durch geeignete Wahl der Oxida- tionsmittelverteilerstruktur (Flowfield) auf der Kathoden- seite das Wassermanagement verbessert werden. Denkbar sind im Sinne der Erfindung natürlich auch entsprechende Kombina¬ tionen von angepasster KathodendiffusionsSchicht und verän¬ dertem Flowfield.
Das Ziel der Erfindung ist es, den Wassertransportparameter
der KathodendiffusionsSchicht vom Eintritt in den Kathoden¬ raum bis zum Ausgang aus dem Kathodenraum hin zu verbessern. Eine solche Kathodendiffusionsschicht mit variablen Wasser¬ transportparametern kann somit regelmäßig ein optimales Was¬ sermanagement über die gesamte aktive Fläche der Kathoden¬ diffusionsschicht gewährleisten.
Spezieller Beschreibungsteil Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird.
Es zeigen:
Figur 1: Graduelle Variation der Porosität der kathodensei- tigen DiffusionsSchicht entlang des oder der Katho¬ denkanäle bei gleich bleibender Dicke der Kathoden¬ diffusionsschicht. Figur 2: Stufenweise Variation der Porosität der kathoden- seitigen Diffusionsschicht entlang des oder der Ka¬ thodenkanäle bei gleich bleibender Dicke der Katho¬ dendiffusionsschicht.
Figur 3 : Ausführungsformen für ein erfindungsgemäß veränder- tes Flowfield auf der Kathodenseite.
Figur 4: UI-Kennlinien bei herkömmlicher konstanter Porosi¬ tät der Diffusionsschicht (untere Kurve) und bei erfindungsgemäßer veränderlicher Porosität der Dif¬ fusionsschicht (obere Kurve) .
Im Rahmen dieser Erfindung wurde gefunden, dass durch fol¬ gende Maßnahmen das Wassermanagement in einer Direkt- Methanol-Brennstoffzelle vorteilhaft verbessert werden kann:
1. Flowfield variieren 2. Diffusionsschicht variieren, bzw. segmentieren.
Beides hat zum Ziel die sonst konstanten Wassertransportpa¬ rameter entlang des Kathodenkanals zu variieren, und somit den sich ändernden Betriebsparametern optimal anzupassen. Die Figuren 1 und 2 zeigen mögliche Variationen der Porosi- tat innerhalb der erfindungsgemäßen Kathodendiffusions- schicht entlang der Kathodenkanäle.
Am Eintritt ist der Wasserdampfgehalt der Kathodenzuluft sehr gering. Dies bewirkt einen großen Wasserstrom von der Kathoden-Katalysatorschicht zur Kathodenluftkernströmung. Dabei fließt neben dem Drag-Wasser auch ein bestimmter Be¬ trag Diffusionswasser von der Anodenseite durch die Membran. Hier wäre eine dichte Diffusionsschicht optimal, die den Betrag des Diffusionswassers minimiert.
Am Ausgang der Zelle liegt hingegen in der Kathodenluft eine vergleichsweise hohe Wasserdampfkonzentration vor. Dies be¬ wirkt eine geringere Triebkraft für den Wasserabtransport aus der Kathoden-Katalysatorschicht. Bei einer dichten Dif- fusionsschicht besteht nun die Gefahr, dass das stromgekop¬ pelte Drag-Wasser nicht gasförmig durch die Diffusions- Schicht transportiert werden kann, und entsprechend Wasser¬ dampf auskondensiert. Hier wäre eine möglichst durchlässige Diffusionsschicht optimal.
Während bei Figur 1 eine monotone, d. h. graduelle Erhöhung der Porosität entlang des Kathodenkanals vorgesehen ist, zeigt Figur 2 ein mögliches stufenförmiges Profil, wobei die Übergangsbereiche von einer Stufe zur nächsten mehr oder weniger ausgeprägt sein können. Verfahrenstechnisch sind sowohl graduelle als auch stufenförmige Porositätsprofile mit herkömmlichen Herstellungsmethoden zu realisieren. Als weitere Lösung für die Aufgabe der Erfindung haben sich an- gepasste Flowfields herausgestellt (siehe Figur 3)