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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodenanordnung, bei der beidseitig zu einer Membran Elektroden-Katalysatorschichten angeordnet sind, die durch Gasdiffusionsschichten als Flussfeldplatten zugeordneten Kanälen mit den Reaktanten versorgbar sind. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Brennstoffzellenstapel.
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Brennstoffzellen werden eingesetzt zur Gewinnung elektrischer Energie aus einer elektrochemischen Reaktion. Dafür weisen Brennstoffzellen eine Membranelektrodenanordnung auf, bei der die Membran, insbesondere eine Protonenaustauschmembran zwischen zwei Elektroden-Katalysatorschichten angeordnet ist, nämlich auf der einen Seite eine Anoden-Katalysatorschicht auf der anderen Seite eine Kathoden-Katalysatorschicht. Diesen Elektroden-Katalysatorschichten müssen die Reaktanten zugeführt werden, wozu Flussfeldplatten vorgesehen sind, in denen Kanäle für die Reaktanten ausgebildet sind. Zwischen den Flussfeldplatten und den Elektroden-Katalysatorschichten sind Gasdiffusionsschichten positioniert, um eine gleichmäßige Versorgung der Elektroden-Katalysatorschichten mit den Reaktanten zu ermöglichen und somit die Effizienz und die Stabilität der Brennstoffzelle zu verbessern. Zu einer Brennstoffzelle schließlich gehören zwei Endplatten, die genutzt werden, um die vorstehend genannten Schichten in ihrer Anordnung zu sichern und gegeneinander zu verpressen sowie abzudichten, wozu gegebenenfalls zusätzliche Abdichtplatten Verwendung finden.
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Die Größe des Querschnitts der Kanäle ist so bemessen, dass durch diese Kanäle eine ausreichende Menge der Reaktanten zu den Elektroden-Katalysatorschichten geführt werden kann. Als problematisch hat sich allerdings erwiesen, dass beim Verpressen die Gasdiffusionsschichten in die Kanäle eindringen und dabei den Querschnitt verringern, so dass sich durch diesen Effekt das Erfordernis ergeben hat, den Querschnitt der Kanäle entsprechend zu vergrößern, um diesen Verlust bei dem Verpressen auszugleichen. Dies führt allerdings dazu, dass die Gleichverteilung der Reaktanten nicht mehr gewährleistet ist und sich die Gesamthöhe der Brennstoffzelle vergrößert und die Leistungsdichte sich dadurch verringert.
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In der
US 8,415,076 B2 ist ein Verfahren beschrieben, um das Eindringen der Gasdiffusionsschichten in die Kanäle der Flussfeldplatten bei dem Verpressen zu verringern, wozu vorgeschlagen wird, die Gasdiffusionsschichten zu präkonditionieren, indem das für die Gasdiffusionsschicht verwendete Material komprimiert wird, wobei mehrere Zyklen dieser Kompression durchgeführt werden, um nachfolgend das entsprechend vorbehandelte Material für die Gasdiffusionsschicht zu verwenden.
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Das Problem des Eindringens der Gasdiffusionsschichten in die Kanäle der Flussfeldplatten beim Verpressen ist auch in der
US 2014/0162167 A1 als problematisch erkannt, wobei zur Linderung dieses Problems vorgeschlagen ist, die Anisotropie der Gasdiffusionsschicht hinsichtlich ihrer Steifheit auszunutzen und das für die Gasdiffusionsschicht verwendete Material so zuzuschneiden, dass die Steifheit in ihrer Breite höher als in ihrer Längsrichtung ist, um so das Eindringen der Gasdiffusionsschichten in die Kanäle der Flussfeldplatten zu vermindern. Die Gasdiffusionsschicht selber kann eine Zweilagen-Struktur aufweisen, einschließlich einer mikroporösen Lage und einer makroporösen Lage.
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In der
JP 2009295509 A ist gleichfalls offenbart, die Gasdiffusionsschicht aus zwei Lagen aufzubauen, wobei die eine Lage eine hohe Steifheit und die andere Lage eine geringere Steifheit aufweisen soll. Die Lage mit der höheren Steifheit wird auf der den Flussfeldplatten zugewandten Seite eingesetzt und genutzt, um das Eindringen der Gasdiffusionsschicht in die Kanäle zu reduzieren.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass das Eindringen der Gasdiffusionsschichten in die Kanäle der Flussfeldplatten vermindert oder sogar vermieden werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, einen verbesserten Brennstoffzellenstapel bereitzustellen.
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Diese Aufgabe durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich des Brennstoffzellenstapels durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei der verbesserten Brennstoffzelle wird ausgenutzt, dass die Lösung des Problems des Eindringens der Gasdiffusionsschichten in die Kanäle der Flussfeldplatten nicht nur mittels einer Optimierung der Gasdiffusionsschichten hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften erfolgen kann, sondern auch indem den Gasdiffusionsschichten Stützstrukturen zur Verfügung gestellt werden, die die bei der Deformation der Gasdiffusionsschichten auftretenden Kräfte aufnehmen und ableiten können, wobei in einfachster Weise eine Stützschicht bereitgestellt wird, die sich in den Schichtenaufbau der Brennstoffzelle einfügt.
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Da das Problem des Eindringens der Gasdiffusionsschicht sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig auftritt, ist es zweckmäßig, wenn auf jeder Seite der Membran beiden Gasdiffusionsschichten eine Stützschicht zugeordnet wird, wobei die Stützschicht elektrisch leitfähig und gasdurchlässig ist, um den normalen Gebrauch der Brennstoffzelle nicht zu beeinträchtigen.
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Bevorzugt ist es weiterhin, wenn die Stützschicht als ein Gitter ausgebildet ist, da so ausgenutzt wird, dass die Tiefe des Eindringens der Gasdiffusionsschicht in den entsprechenden Kanal von der freien Länge der Gasdiffusionsschicht zwischen den Kanalwänden abhängt, da sich zwischen den Unterstützungspunkten an den Kanalwänden ein Bogen in der Gasdiffusionsschicht ausbildet. Durch die Verwendung einer als Gitter ausgebildeten Stützschicht ist die freie Länge der Gasdiffusionsschicht zwischen den Streben des Gitters deutlich reduziert mit entsprechend kleineren Bögen, so dass das in der Gasdiffusionsschicht zwischen den Kanalwänden bereitgestellte Material in Mikrobögen zwischen den Streben der Stützschicht verläuft und entsprechend ein nur geringes Eindringen in die Tiefe des Kanals ermöglicht ist.
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Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Stützschicht mit Poren ausgebildet ist, um den eigentlichen Zweck der Gasdiffusionsschicht, nämlich die Versorgung der Elektroden-Katalysatorschichten mit den Reaktanten aus den Kanälen der Flussfeldplatten nicht zu beeinträchtigen. Für dieses Ziel ist es ausreichend, dass die Poren in der Stützschicht in den den Kanälen gegenüberliegenden Bereichen angeordnet sind, also in den Bereichen zwischen den Kanälen zur Erhöhung der Stabilität der Stützschicht die Anzahl und/oder die Größe der Poren reduziert sein kann oder sogar vollständig auf die Poren verzichtet wird. Auch besteht die Möglichkeit, dass die Stützschicht aus Fasermaterial gebildet ist, dessen Fasern quer zu den Kanälen, mithin quer zur Längserstreckung der Kanäle, ausgerichtet sind, also entsprechend eine höhere Steifigkeit in der erforderlichen Richtung bereitgestellt ist.
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Die Stützschicht bewirkt eine Erhöhung des Stofftransportwiderstandes für die Reaktanten. Daher ist vorgesehen, dass der Stofftransportwiderstand der Gasdiffusionsschicht gegenüber einer konventionellen Gasdiffusionsschicht verringert ist, derart, dass der Stofftransportwiderstand in der Kombination mit der Stützschicht dem einer konventionellen Gasdiffusionsschicht entspricht. Bei konventionellen Gasdiffusionsschichten ist der Stofftransport in der Regel bereits optimiert, so dass der Stofftransportwiderstand infolge einer zusätzlichen Schicht, nämlich der Stützschicht, erhöht ist. Dem kann entgegengewirkt werden, indem das Optimum des Stofftransportwiderstandes hinsichtlich der Kombination aus der Stützschicht und der Gasdiffusionsschicht angestrebt wird.
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Bei einem höheren Leistungsbedarf ist es üblich, eine Mehrzahl von Brennstoffzellen in Serie anzuordnen und zu einem Brennstoffzellenstapel zusammenzufassen. Ein derartiger Brennstoffzellenstapel lässt sich hinsichtlich seiner Leistungsdichte verbessern, indem die verwendeten Brennstoffzellen gemäß der verbesserten Ausführungsform genutzt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Einzelkanal mit erfindungsgemäß zugeordneter Stützschicht und Gasdiffusionsschicht,
- 2 eine der 1 entsprechende Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsform vor dem Verpressen,
- 3 eine der 2 entsprechende Darstellung nach dem Verpressen zur Erläuterung des Phänomens des Eindringens der Gasdiffusionsschicht in den Kanal, und
- 4 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle zu Erläuterung von deren Schichtenaufbau.
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In der 4 ist schematisiert aus einem Brennstoffzellenstapel 1 eine Abfolge von drei Membranelektrodenanordnungen 2 gezeigt, zwischen denen Flussfeldplatten 3 positioniert sind. Eine Membranelektrodenanordnung 2 besteht dabei aus der mittig positionierten Membran 4, an der sich auf der einen Seite eine Anoden-Katalysatorschicht 5 und auf der anderen Seite eine Kathoden-Katalysatorschicht 6 anschließt. Die Versorgung dieser Elektroden-Katalysatorschichten mit den Reaktanten erfolgt durch in den Flussfeldplatten 3 ausgebildete Kanäle 7, wobei zwischen den Flussfeldplatten 3 und den Elektroden-Katalysatorschichten Gasdiffusionsschichten 8 positioniert sind, die für eine gleichmäßige Verteilung der Reaktanten sorgen und so sicherstellen, dass nicht nur die den Kanälen 7 gegenüberliegenden Flächen der Elektroden-Katalysatorschicht 5, 6 wirksam sind.
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Einer Brennstoffzelle bzw. einem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen zusammenfassenden Brennstoffzellenstapel 1 sind noch hier nicht gezeigte Endplatten zugeordnet, die zum Verpressen dienen. Beim Verpressen ergibt sich ausgehend von der in 2 dargestellten Konfiguration, das in der 3 ersichtliche Problem, dass die Gasdiffusionsschichten 8 in den Querschnitt der Kanäle 7 der Flussfeldplatten 3 eindringen, so dass der Querschnitt entsprechend verringert wird und es im Stand der Technik erforderlich ist, zur Kompensation dieses Effektes die Kanäle 7 entsprechend größer zu bemessen.
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Bei der verbesserten Brennstoffzelle ist zwischen mindestens einer der Gasdiffusionsschichten 8 und der zugeordneten Flussfeldplatte 3 eine Stützschicht 9 mit zumindest quer zu den Kanälen 7 gegenüber der Gasdiffusionsschicht 8 erhöhter Steifigkeit angeordnet, so dass sich die aus der 1 ersichtliche Konfiguration ergibt, bei der der von der Gasdiffusionsschicht 8 beim Verpressen vorgewölbte Bogen 10 deutlich verringert ist, weil die Stützschicht 9 die dabei auftretenden Kräfte aufnehmen und ableiten kann. Zur maximalen Ausnutzung des damit verbundenen Vorteils ist beiden Gasdiffusionsschichten 8 auf beiden Seiten der Membranelektrodenanordnung 2 eine Stützschicht 9 zugeordnet.
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Die Stützschicht 9 ist dabei elektrisch leitfähig und gasdurchlässig. Die Gasdurchlässigkeit lässt sich dabei insbesondere erzielen, indem die Stützschicht 9 mit Poren ausgebildet ist, zumindest in den den Kanälen 7 gegenüberliegenden Bereichen. Alternativ oder ergänzend besteht die Möglichkeit, die Stützschicht 9 aus Fasermaterial zu bilden, dessen Fasern quer zu den Kanälen 7 ausgerichtet sind. Schließlich ist auch auf die Möglichkeit hinzuweisen, dass die Stützschicht 9 als ein Gitter ausgebildet ist, das den aus 2 und 3 ersichtlichen Bogen 10 in eine Mehrzahl von Mikrobögen auflöst, deren Erstreckung in den Kanal 7 entsprechend reduziert ist.
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Sofern durch die Stützschicht 9 eine Erhöhung des Stofftransportwiderstandes festzustellen ist, besteht die Möglichkeit, den Stofftransportwiderstand der Gasdiffusionsschicht 8 gegenüber einer konventionellen Gasdiffusionsschicht zu verringern, so dass im Ergebnis der Stofftransportwiderstand der durch die Stützschicht 9 modifizierten Gasdiffusionsschicht 8 auf das Optimum eingestellt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenstapel
- 2
- Membranelektrodenanordnungen
- 3
- Flussfeldplatten
- 4
- Membran
- 5
- Anoden-Katalysatorschicht
- 6
- Kathoden-Katalysatorschicht
- 7
- Kanal
- 8
- Gasdiffusionsschicht
- 9
- Stützschicht
- 10
- Bogen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8415076 B2 [0004]
- US 2014/0162167 A1 [0005]
- JP 2009295509 A [0006]
