Produktwasser

Die Erfindung betrifft eine Niedertemperatur-Brenn- stoffzelle mit integriertem Wassermanagementsystem für den passiven Austrag von Produktwasser, die mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit aufweist, die mindestens eine anodenseitige und eine kathodenseiti- ge Elektrode sowie mindestens eine zwischen den E- lektroden angeordnete Membran, anodenseitig und ka- thodenseitig angeordnete Stromabieiterstrukturen sowie anodenseitig und kathodenseitig angeordnete Verteilungsstrukturen für Brennstoff und Oxidans auf- weist. Hierbei weist die kathodenseitige Verteilungsstruktur eine Kapillarstruktur zum Abtransport des Produktwassers sowie GasZuführungskanäle auf. Die Erfindung stellt somit ein in der Verteilungsstruktur integriertes Wassermanagementsystem bereit. Die PEMFC gehört zur Gruppe der Niedertemperatur- Brennstoffzellen, welche bei Temperaturen unter 100 ⁰ C arbeiten. Herzstück der PEMFC ist die MEA (engl, membrane electrode assembly) . Die Membran trennt die Anode und Kathode elektrisch und fluidisch voneinander. Auf beiden Seifeen der Membran ist eine kataly- tisch aktive Elektrode aufgebracht. Dort finden die elektrochemischen Reaktionen statt. Die bei der ano- denseitigen, elektrochemischen Umwandlung von Wasser- stoff entstehenden Elektronen fließen über den äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode. Aufgrund der anliegenden Potentialdifferenz diffundieren die verbliebenen Protonen von der Anode durch die proto- nenleitfähige Membran zur Kathode. An der katalyti- sehen Elektrode der Kathode wird Luft-Sauerstoff reduziert. Zusammen mit den Protonen und den Elektronen entsteht Wasser, welches im Niedertemperatur-Bereich vollständig in flüssiger Phase vorliegt. Die ionische Leitfähigkeit der Zellmembran ist vom Wassergehalt in der Membran abhängig. Bei optimaler Sättigung der

Membran mit Wasser bilden sich die protonenleitenden Kanäle in einer Membran vollständig aus. Nicht umgesetzte Gase treten an der Anode bzw. Kathode als Restbrenngas bzw. Restluft wieder aus.

Passive Mikro-Brennstoffzellen im kleinen Leistungsbereich weisen spezifische Anforderungen an das Zelldesign auf, welche die planare Bauweise favorisieren. Bei dieser Bauweise werden alle einzelnen Brennstoff - zellen in derselben Ebene angeordnet und elektrisch miteinander verschaltet. Bei der passiven Brennstoffzelle wird die Anode aktiv und die Kathode passiv, d.h. durch Öffnungen im Gehäuse der Kathodenseite, mit Luft versorgt. Die sog. selbstatmende Zelle be- zieht so selbstständig den Sauerstoff aus der Umgebungsluft. An die Gasverteilerstruktur (Flowfield) werden im Allgemeinen folgende Anforderungen gestellt

• homogene Verteilung der Reaktanden auf der gesamten Zellfläche. • Sammlung und Ableitung von Reaktionswasser, ohne die Gaszufuhr zu behindern,

• mechanische Stabilität, um Anpressdrücke dauerhaft und möglichst homogen auf andere Zellkomponenten zu übertragen.

Unter der Annahme, dass das Reaktionswasser bei Betriebstemperatur der Brennstoffzelle durch Öffnungen im Kathoden- Flowfield in die Umgebung vollständig verdunsten kann, wurde die Sammlung und Ableitung von Reaktionswasser bisher im selbigen Gaszufuhrkanal realisiert. Dies setzt ein großes Öffnungsverhältnis der Kathodenoberfläche voraus, was im Gegenzug die mechanische Stabilität des Flowfields herabsetzt und die Stromableitung negativ beeinflusst. Das Öffnungs- Verhältnis der Kathode definiert sich als das Verhältnis der Gesamtfläche der Öffnungen zur gesamten aktiven MEA- Fläche. Während des Lastbetriebs der Brennstoffzelle findet in hohen Leistungsbereichen aufgrund der elektrochemischen Reaktion ein zunehmen- des Benetzen des katalytisch aktiven Materials mit überschüssigem Wasser statt. Es wird mehr Wasser produziert als das bisherige, dem Stand der Technik entsprechende passive Flowfield austragen kann. Als Folge benetzen sich einzelne GasZuführungskanäle teil- weise vollständig mit Produktwasser, die Sauerstoffversorgung wird blockiert. Die zur Verfügung stehende, aktive Fläche wird dabei kleiner und die Leistungsfähigkeit der Zelle sinkt.

Das Wassermanagement wurde bisher durch kathoden- oder anodenseitige Rezirkulation (US 6,015,634 A), mittels speziellem Flowfield zum Wasseraustrag (US 7,063,907 B2 , US 6,916,571 B2 , US 6,187,466 Bl) oder mittels Kapillarmaterial (US 6,015,633 A, US 2008/0032169 Al, US 2007/0284253 Al) gelöst.

Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle mit integriertem Wassermanagementsystem bereitzustellen, durch die ein effizienter Abtransport des flüssigen Produktwassers ermöglicht wird, ohne dabei die Gaszufuhr der Kathode zu beeinträchtigen.

Diese Aufgabe wird durch die Niedertemperatur-Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf .

Erfindungsgemäß wird eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle für den passiven Austrag von flüssigem Produktwasser bereitgestellt, die mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit aufweist, die wiederum mindestens eine anodenseitige und eine kathodenseiti- ge Elektrode sowie mindestens eine zwischen den E- lektroden angeordnete Membran aufweist. Weiterhin weist die Brennstoffzelle anodenseitig und kathoden- seitig angeordnete Stromabieiterstrukturen sowie anodenseitig und kathodenseitig angeordnete Verteilungs- strukturen für Brennstoff und Oxidans auf.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die ka- thodenseitige Verteilungsstruktur GasZuführungskanäle und mindestens eine Kapillarstruktur zum Abtransport des Produktwassers von der Kathode aufweist, wobei die Kapillaren der Kapillarstruktur einen hydrauli- sehen Durchmesser aufweisen, der einen Abtransport des Produktwassers durch die Kapillaren mittels Kapillarkraft erlaubt.

Um das Wassermanagement in der Niedertemperatur- Brennstoffzelle zu verbessern, wird ein passiver An- satz für den Austrag von überschüssigem Produktwasser ermöglicht. Der passive Wasseraustrag erhöht die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle vor allem im Hinblick auf den Dauerbetrieb. Weiterhin wird die Betriebszuverlässigkeit der PEMFC erheblich gesteigert, da der Sauerstofftransport hin zur Gasdiffusions - schicht verbessert wird, die Katalysatorschicht nicht übermäßig mit Produktwasser benetzt wird und die Gas- zuführungskanäle des Kathoden- Flowfields frei bleiben. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle zeichnet sich ebenso dadurch aus, dass eine Benetzung der einzelnen Gaszuführungskanäle im Wesentlichen verhindert wird, wodurch eine optimale Versorgung der Kathode mit dem Oxidans gewährleistet wird. Dabei kann die gesamte zur Verfügung stehende aktive Fläche zur Stromproduktion genutzt werden. Aufgrund des passiven

Konzeptes ist Hilfsenergie weder in elektrischer noch in thermischer Form für den Wasseraustrag erforderlich. Ebenso kann auf zusätzliches Equipment, wie weitere Verteilungsstrukturen, Lüfter, Gebläse oder Wasserabscheider verzichtet werden.

Die GasZuführungskanäle der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle weisen vorzugsweise einen Querschnitt auf, der in einzelnen Bereichen von einem kreisförmigen Querschnitt abweicht. Hierzu zählen beispielsweise

Ecken, oval zulaufende Ausbuchtungen, u.a. Dabei ist es nicht erforderlich, dass sämtliche Gaszuführungs- kanäle den gleichen Querschnitt aufweisen, vielmehr ist es möglich, dass die einzelnen Gaszuführungskanä- Ie unterschiedliche Geometrien besitzen. Durch diese Geometrie ist es möglich, den Abtransport des flüssi- gen Reaktionswassers von der Gasdiffusionsschicht zur Oberseite des Kathoden-Flowfields und den Sauerstofftransport von der Umgebung an die Gasdiffusions- schicht zu optimieren. Die Kapillaren weisen bevor- zugt einen runden Querschnitt auf - sind aber nicht hierauf beschränkt — der den Abtransport mittels Kapillarkraft sicherstellt.

Vorzugsweise weisen die GasZuführungskanäle sowie die Kapillaren einen ovalen, rechteckigen, quadratischen, hexagonalen, dreieckigen, sternförmigen oder trapezförmigen Querschnitt auf. Es sind ebenso geometrische Zwischenformen zwischen den zuvor genannten Varianten denkbar .

Vorzugsweise weisen die GasZuführungskanäle einen Durchmesser im Bereich von 500 μm bis 5 mm, insbesondere von 0,8 bis 2 mm auf.

Die Kapillaren weisen vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 100 μm bis 1 mm, insbesondere von 150 μm bis 300 μm auf.

Die zuvor genannten Durchmesser sind auf die genann- ten Bereiche nicht beschränkt. Im Wesentlichen hängen die Durchmesser der GasZuführungskanäle und der Kapillaren von folgenden Punkten ab: Benetzungswinkel, erforderliche Steighöhe, Öffnungsverhältnis, Anpress- druck, mechanische Eigenschaften, Materialwahl sowie erreichbare Strukturgrößen in Abhängigkeit von der Fertigungstechnologie .

Eine bevorzugte Variante sieht vor, dass die Gaszuführungskanäle und die Kapillaren der Kapillarstruk- tur räumlich voneinander getrennt angeordnet sind. Eine zweite erfindungsgemäße Variante sieht vor, dass Kapillaren in den vom runden Querschnitt abweichenden Bereichen der GasZuführungskanäle angeordnet sind. Z.B. können bei einem Gaszufuhrzuführungskanal mit einem hexagonalen Querschnitt die Kapillaren, die einen runden Durchmesser aufweisen, in den Ecken des Hexagons angeordnet sein.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass auf der der Elektrode abgewandten Oberfläche der Kapillarstruktur zumindest bereichsweise ein Verteilungsbereich zur Beschleunigung der Verdunstung des Produktwassers angeordnet ist. Der Verteilungsbereich ist auf der kathodenseitigen Oberfläche lokalisiert und weist eine gut benetzbare, vorzugsweise strukturierte Oberfläche und/oder ein hydrophiles Verteilungsmedium auf . Eine gute Benetzbarkeit kann durch eine chemische oder mechanische Oberflächenbearbeitung, eine Kanalstrukturierung, eine zusätzliche Be- Schichtung (Verteilungsmedium) oder ein Kapillarmaterial (Verteilungsmedium) , wie mikroporöser Schaum, Gewebe, Vlies, o.ä, erreicht werden. Der Verteilungsbereich weist vorzugsweise eine gute thermische Leitfähigkeit auf, sodass mittels der Reaktionswärme der PEMFC die Verdunstung des Produktwassers im Verteilungsbereich begünstigt wird. Ebenso ist es bevorzugt, dass in den vom runden Querschnitt abweichenden Bereichen der GasZuführungskanäle, z.B. in den Ecken, ein Verteilungsmedium zur Optimierung des Abtrans- ports des Produktwassers von der Kathode angeordnet ist.

Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zum Abtransport von Produktwasser in einer Niedertempera- tur-Brennstoffzelle, wie sie zuvor beschrieben wurde, bereitgestellt, bei dem die Länge und der Durchmesser der Kapillaren im Verhältnis zum Durchmesser der Gas- zuführungskanäle so gewählt wird, dass ein Abtransport des Produktwassers durch die Kapillaren mittels Kapillarkraft und durch die Verdunstung des Produkt - wassers an der von der Elektrode abgewandten Oberfläche der Kapillarstruktur mittels Evaporationssog erfolgt.

Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungs- gemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.

Fig. 1 zeigt drei Varianten einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle in einer Aufsichtsdarstellung.

Fig. 2 zeigt erfindungsgemäße GasZuführungskanäle in Aufsichtsdarstellung.

Fig. 3 zeigt drei Varianten einer erfindungsgemäßen

Brennstoffzelle in Kombination mit einem Verteilungs- medium in Aufsichtsdarstellung.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle anhand von drei Varianten.

Die erfindungsgemäße Anordnung stellt die Kathodenseite mit GasZuführungskanälen sowie zusätzlichen Kapillaren für den Wasseraustrag dar. Die Anordnung der GasZuführungskanäle und der Kapillaren kann in verschiedenen Varianten, wie in Fig. 1 gezeigt, ausgebildet sein. Beispielhaft ist eine Draufsicht auf die planare passive Kathodenseite für hexagonale Gaszuführungskanäle und runde Kapillaren in drei Varianten dargestellt. Die Geometrie der Gaszuführungskanäle und der Kapillaren ist dabei nicht auf hexagonale bzw. runde Geometrien eingeschränkt, sondern kann auch oval, rechteckig, dreieckig, sternförmig, trapezförmig oder aus Kombinationen hieraus ausgebildet sein. Die GasZuführungskanäle können im Abstand d so- wie im Radius r unterschiedlich ausgebildet sein. Die Abstände und Radien der Kapillare sind ebenfalls variabel .

Variante A zeigt jeweils in den Ecken des hexagonalen Kanals zusätzliche Kapillaren, die das flüssige Wasser aus der Luftöffnung aufnehmen und an die Oberfläche transportieren. Variante B zeigt die hexagonale Kanalgeometrie ohne Seitenkanäle. Der Wasseraustrag findet durch die Kapillaren im Stegbereich statt. Zu- sätzlich wird ein Teil des sich bildenden Wassers über die Eckbereiche der Gaszuführungskanäle ausgetragen. Vorteilhaft ist hier, dass durch die Vielzahl der Kapillaren ein homogener Abtransport des flüssigen Wassers über die Gasdiffusionsschicht (GDL) im Stegbereich stattfinden kann. Variante C kombiniert

Variante A und B. Der Vorteil besteht darin, dass ein effektiver Wasseraustrag über die gesamte Gasdiffusionsschicht möglich ist.

Allen Varianten ist gemein, dass in Abhängigkeit der Geometrie und des Benetzungswinkels eine gewisse Be- netzung in den Ecken der Gaszuführungskanäle stattfindet. Die hexagonale Geometrie der Gaszuführungskanäle weist hierbei eine besonders geeignete Struktur auf, um flüssiges Wasser in den Ecken zu konzentrieren. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 2 dargestellt.

Je nach Geometrie und Benetzungswinkel führt dies zu einer Verkleinerung des Öffnungsverhältnisses. Des- halb werden an den Ecken jeweils zusätzlich Kanäle eingebracht (außer bei Variante B) , die einen deut- lieh kleinen hydraulischen Durchmesser im Vergleich zu den GasZuführungskanälen aufweisen. Damit ist sichergestellt, dass die Flüssigphase mittels Kapillarkraft von der Gasdiffusionsschicht in den Seitenkanal gelangt und sich selbstständig bis zum Ende der Kapillare an der Oberfläche der kathodenseitigen Verteilungsstruktur befüllt.

An der Oberfläche verdunstet das Wasser an der Umge- bung. Ein Verteilungsmedium oder eine geeignete Oberflächenbearbeitung oder Oberflächenstrukturierung der Kapillarstruktur, vorzugsweise ein hydrophiles Vlies o.a., kann dazu genutzt werden, die Verdunstungsfläche wesentlich zu vergrößern, indem es das flüssige Wasser aus den Ecken und den Kapillaren aufnimmt und auf der gesamten Oberseite verteilt. Hierzu können drei Varianten ausgebildet werden (s. Fig. 3) . Zum einen ist das Verteilungsmedium oder die Oberflächenbearbeitung bzw. Oberflächenstrukturierung direkt auf dem Steg angebracht, wobei die Öffnungen für den

Lufttransport offen sind. Sowohl die Ecken der Gaszuführungskanäle als auch die Kapillaren sind dabei von dem Verteilungsmedium bedeckt, um einen Wasseraustrag aus den Ecken bzw. den Kapillaren in das Verteilungs- medium zu gewährleisten.

Zum anderen kann das Verteilungsmedium oder die Oberflächenbearbeitung bzw. Oberflächenstrukturierung sowohl im Bereich der Stege als auch auf den Gaszufüh- rungskanälen liegen. Bei letzt genannter Variante ist dafür zu sorgen, dass die Luftdurchlässigkeit des Verteilungsmediums im Bereich der GasZuführungskanäle ausreichend gut ist, damit das ausgetragene Wasser die Luftzufuhr nicht behindert oder gar verschlech- tert. Fig. 4 zeigt den Querschnitt des Kathoden- Flowfields . An der Gasdiffusionsschicht 1 bilden sich Wassertropfen 2 (Fig. 4, oben) , die sich sammeln und die Kapillaren 3 zwischen den Gaszuführungskanälen 4 benetzen. Die Kapillarkraft sorgt für eine selbstständige Befüllung der Kapillaren bis zur Oberfläche (Fig. 4, Mitte) . Das Veteilungsmaterial 5 nimmt das Wasser aus den Kapillaren auf und verteilt es an der Oberfläche (Fig. 4, unten) . Durch Verdunstung wird das Wasser aus dem Verteilungsmedium ausgetragen. Somit kann kontinuierlich Wasser an die Umgebung abgegeben werden.