DE10016820A1

DE10016820A1 - Brennstoffzelle mit Diffusionsschicht

Info

Publication number: DE10016820A1
Application number: DE10016820A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Dohle
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2000-04-05
Filing date: 2000-04-05
Publication date: 2001-10-18
Also published as: WO2001078174A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, bei der die Diffusionsschicht zur Verteilung des Brennstoffs an die anodische Katalysatorschicht unterschiedliche Diffusivitäten aufweist. Diese werden vorteilhaft durch eine abnehmende Schichtdicke dieser Schicht in Strömungsrichtung des Brennstoffs verwirklicht. Durch die erfindungsgemäße Diffusionsschicht wird regelmäßig ein gleichförmigeres Konzentrationsprofil an Brennstoff direkt an der Anode im Gegensatz zu dem im freien Anodenraum erzielt. Vorteilhaft kann diese Diffusionsschicht in einer Methanol-Brennstoffzelle eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Diffusionsschicht, in der eine direkte elektrochemische Umsetzung eines Brennstoffs in Elektrizität stattfin det, insbesondere eine Niedertemperatur-Brennstoff zelle.

Ein typisches Beispiel für eine solche Niedertempera tur-Brennstoffzelle ist die Direkt-Methanol-Brennstoff zelle (DMFC), bei der Methanol bei niedriger Temperatur direkt verstromt wird.

Eine derartige Brennstoffzelle weist einen Anodenraum mit einer Anode, eine Elektrolytmembran und einen Kathodenraum mit einer Kathode auf. Der Kathode wird durch den Kathodenraum ein Oxidationsmittel, z. B. Luft und der Anode wird durch den Anodenraum ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff oder Methanol zugeführt. Kathode und Anode einer Brennstoffzelle weisen in der Regel eine durchgehende Porosität auf, damit die beiden Betriebs mittel Oxidationsmittel und Brennstoff den aktiven Be reichen der Elektroden zugeführt werden können. Ferner weisen die Elektroden typischerweise eine Katalysator schicht auf, in der die eigentlichen elektrochemisch katalysierten Vorgänge stattfinden.

Durch die oben beschriebene Konstruktion bedingt, wird anodenseitig der zugeführte Brennstoff, im Fall einer Methanol-Brennstoffzelle ein Methanol/Wassergemisch, während des Betriebs entlang der Anode abgereichert. Das bedeutet, daß der Brennstoff mit einem hohen Metha nolgehalt in den Anodenraum eingeleitet wird und sich in Strömungsrichtung entlang der Anode abreichert. An schließend tritt er mit einem geringen Methanolgehalt wieder aus dem Anodenraum aus. Bei den bisherigen Kon struktionen einer Methanol-Brennstoffzelle treten dabei folgende Nachteile auf. Die hohe Methanolkonzentration am Einlaß des Anodenraums bewirkt eine erhöhte Permea tion des Methanols durch die Elektrolytmembran und führt dadurch auf der Kathodenseite zur Bildung eines Mischpotentials. Dies wirkt sich regelmäßig negativ auf die Brennstoffeffizienz aus. Dem gegenüber können die geringen Methanolkonzentrationen am Auslaß des Anoden raums zu Diffusionsüberspannungen führen. Auch dies wirkt sich negativ auf den Wirkungsgrad der Brennstoff zelle aus.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle zu schaffen, die die oben genannten Nachteile der variie renden Brennstoffkonzentrationen entlang der Anode wäh rend des Betriebs verringert und regelmäßig einen ver besserten Wirkungsgrad erzielt.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen.

Dazu umfaßt die erfindungsgemäße Methanol-Brennstoff zelle einen Anodenraum mit einer Anode, wobei auf der Anode eine Diffusionsschicht angeordnet ist.

Die Diffusionsschicht der erfindungsgemäßen Brennstoff zelle weist unterschiedliche Diffusivitäten für den Brennstoff auf. Diese treten insbesondere entlang der Elektrode, vorzugsweise in Richtung von Brennstoffein laßseite zur Brennstoffauslaßseite auf. Unter unter schiedlicher Diffusivität für den Brennstoff ist zu verstehen, daß der Teilchenstrom des Brennstoffes aus dem freien Anodenraum durch die Diffusionsschicht zur Elektrode unterschiedliche Werte annimmt. In einer vor teilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird dies durch eine Diffusionsschicht mit unterschiedlicher Dicke rea lisiert. Im Rahmen der Erfindung wurde gefunden, daß sich dadurch die Weglänge, die der Brennstoff durch das poröse Material der Diffusionsschicht zurücklegt, än dert. Wird die Schichtdicke des porösen Materials er höht, erhöht sich auch die Weglänge. Der Teilchenstrom nimmt entsprechend ab.

Durch die Variation der Diffusivität der Diffusions schicht kann die Konzentration des Brennstoffes direkt an der anodischen Katalysatorschicht beeinflußt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung nimmt die Dicke der Diffusionsschicht von der Brennstoffeinlaßseite zur Brennstoffauslaßseite kontinuierlich ab. Die hohen An fangskonzentrationen im freien Anodenraum am Brennstoffeinlaß werden durch eine dicke Diffusions schicht direkt an der Anode abgepuffert, bzw. redu ziert. Gleichzeitig wird der geringe Gehalt an Brenn stoff an der Brennstoffauslaßseite durch eine dünne Diffusionsschicht dort nahezu unverändert an die Anode geführt.

Durch eine solche Diffusionsschicht wird regelmäßig ein gleichförmigeres Konzentrationsprofil direkt an der Anode im Gegensatz zu dem im freien Anodenraum erzielt.

In einem Ausführungsbeispiel wird eine erfindungsgemäße Methanol-Brennstoffzelle als Niedertemperatur-Brenn stoffzelle mit einer Diffusionsschicht, die unter schiedliche Diffusivitäten aufweist, wie folgt herge stellt.

Dabei wird die Diffusionsschicht auf einen Stromleiter, der in Form eines Graphitgewebes vorliegt, aufgebracht. Eine Mischung aus 15% PTFE und 85% Aktivkohle (z. B. XC 72) wird ausgewogen, gemischt, mit einem Wasser/Iso propanol Gemisch verdünnt und so eine spritzfähige Form erzeugt. Die spritzfähige Mischung wird anschließend auf den Stromleiter aufgesprüht, wobei die Belegung üblicherweise von ca. 4 bis 12 mg/cm² variiert.

Diese Diffusionsschicht für eine Methanol-Brennstoff zelle umfaßt poröses Material und ist durchlässig für Methanol, Wasser und CO₂. Der Brennstoff gelangt aus dem freien Anodenraum durch die Diffusionsschicht an die Anode, wo er an der Katalysatorschicht reagieren kann. Die entstehenden Reaktionsprodukte, Wasser und CO₂, können durch die Diffusionsschicht zurück in den Anodenraum diffundieren. Eine geeignete Diffusions schicht umfaßt typischerweise PTFE und Aktivkohle, wo bei das PTFE bei der Herstellung der Diffusionsschicht in Form von feinkörnigem Pulver oder auch als Suspen sion vorliegen kann.

Eine unterschiedliche Diffusivität in der Diffusions schicht ergibt sich alternativ auch durch unterschied liche Porositäten oder auch durch unterschiedliche Zu sammensetzungen innerhalb der Diffusionsschicht. So hat der Anteil an PTFE in der Mischung einen deutlichen Einfluß auf die Diffusivität der Diffusionsschicht.

Möglich ist aber auch jegliche Kombination dieser drei Alternativen, so beispielsweise unterschiedliche Zusam mensetzungen kombiniert mit unterschiedlichen Schicht dicken.

Claims

1. Brennstoffzelle umfassend einen Anodenraum mit einer Anode, sowie einer auf der Anode angeordneten Diffusionsschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsschicht unterschiedliche Diffu sivitäten aufweist.

2. Brennstoffzelle nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsschicht eine variierende Dicke aufweist.

3. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Diffusionsschicht um wenigstens 10% variiert.

4. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehendem Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Diffusionsschicht entlang der Anode variiert.

5. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehendem Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Diffusionsschicht entlang der Strömungsrichtung des Brennstoffs an der Anode ab nimmt.

6. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsschicht unterschiedliche Poro sitäten aufweist.

7. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsschicht unterschiedliche Zusam mensetzungen innerhalb der Diffusionsschicht auf weist.

8. Methanol-Brennstoffzelle als Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche.