DE19947858C2

DE19947858C2 - Korrosionsbeständige Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE19947858C2
Application number: DE19947858A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Kaiser; Iona Mackenzie; Richard Spaeh
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG; Ford Motor Co
Priority date: 1999-10-05
Filing date: 1999-10-05
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2019-10-06
Also published as: DE19947858A1

Description

Die Erfindung betrifft eine korrosionsbeständige Brennstoffzel le nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für die Versorgung von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen mit Energie kann eine Brennstoffzelle eingesetzt werden. Eine für diesen Zweck besonders geeigneter Brennstoffzellentyp ist die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle, abgekürzt PEM-Brennstoff zelle, die ein günstiges volumen- und gewichsspezifisches Lei stungspotential aufweist.

PEM-Brennstoffzellen werden weltweit erforscht und entwickelt und beinhalten eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit, in der Literatur auch mit MEA (Membrane Electrode Assembly) abge kürzt. Die MEA besteht aus einer ionenleitenden Membran, wie zum Beispiel Nafion®, die von zwei Elektroden (Anode, Kathode) eingefasst ist. Diese Elektroden bestehen jeweils aus einer ka talytischen Schicht, die Katalysatormaterial für die elektro chemische Brennstoffzellenreaktion enthält. Diese ist unmittel bar auf die Oberfläche der Membran aufgebracht. Darüber hinaus umfasst eine Elektrode jeweils eine gasdurchlässige, elektrisch leitfähige Stromkollektorschicht. Diese Schicht hat den Zweck, den elektrischen Kontakt zwischen der Dreiphasengrenze Elektro lyt-Katalysator-Gasphase über die benachbarte Bipolarplatte zum elektrischen Verbraucher herzustellen. Sie besteht aus einem porösen Material, z. B. Kohlefaserpapier.

Üblicherweise umfassen die Brennstoffzellen mehrere Einzelzel len, wobei abwechselnd Membran-Elektroden-Einheiten und die bereits erwähnten Bipolarplatten übereinander oder nebeneinan der angeordnet werden (Brennstoffzellenstapel). Bipolarplatten dienen zur Versorgung mit den Betriebsgasen und zur elektri schen Kontaktierung der Membran-Elektroden-Einheit. An den bei den Enden des Stapels wird die Brennstoffzelle von jeweils einer Endplatte abgeschlossen, die neben dem Abschluss des Sta pels den gleichen Zwecken dienen wie die Bipolarplatten. Zum Aufbau des Brennstoffzellenstapels werden die einzelnen Elemen te lose aufeinander gelegt und z. B. mittels Zuganker miteinan der verpresst.

Beim Betrieb der Brennstoffzelle sind die Bipolarplatten und Endplatten ständig einem feuchten, sauren Medium ausgesetzt. Darüber hinaus wird die Kathode jeder einzelnen Zelle mit einem Potenzial von bis zu +1 V gegenüber der Normalwasserstoffelek trode beaufschlagt und ist einem kontinuierlichen Luftstrom, ggf. auch Methanolreformat, ausgesetzt. Die Betriebstemperatur liegt bei 60-100°C und erhöht die Anforderungen an die Kor rosionsbeständigkeit.

In der US 5,624,769 ist eine Brennstoffzelle beschrieben, die aus einem Leichtmetall besteht und eine Deckschicht aus TiN als Korrosionsschutz besitzt.

Die DE 198 05 683 A1 beschreibt eine Bipolarplatte mit einem metallischen Kern, der mit einer nichtmetallischen Schicht aus Kohlenstoff oder einer elektrisch leitfähigen Keramik überzogen ist.

In der WO 98/13891 ist eine Brennstoffzelle beschrieben, bei der die oben beschriebene Funktion der Bipolarplatte von einem Verbund aus einer dünnen Metallschicht und einem darauf ange brachten Drahtgeflecht wahrgenommen wird.

Der DE 196 29 154 A1 ist eine Brennstoffzelle zu entnehmen, bei der eine gasdurchlässige, poröse Trägerschicht für die kataly tische Schicht auf der Bipolarplatte befestigt ist.

Da die Lebensdauer einer Membran-Elektroden-Einheit und darin insbesondere die Lebensdauer der Membran begrenzt ist, wird das Auswechseln der Membran-Elektroden-Einheit bei der heute gefor derten Lebensdauer für Brennstoffzellenstapel regelmäßig not wendig sein.

Wird die Membran-Elektroden-Einheit einer Brennstoffzelle, de ren Bipolarplatten mit einer korrosionsvermindernden Schicht versehen ist, ausgewechselt, so ergibt sich nach dem Ausbau eine schlechtere Zellleistung als vor dem Ausbau.

Aufgabe der Erfindung ist es, den durch den Ausbau der Membran- Elektroden-Einheit verursachten Leistungsverlust der Brenn stoffzelle, der beim Einsatz korrosionsgeschützter metallischer Bipolarplatten auftritt, zu verhindern.

Diese Aufgabe wird mit den Gegenständen des unabhängigen Pa tentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfinder haben den Vorgang, der zur Verschlechterung der Brennstoffzellenleistung führt, durch Versuche identifziert. Er ist im Aufwachsen schlechtleitender Korrosionsschichten auf der Oberfläche der Bipolarplatten begründet. Dies wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 1a bis 1d näher erläutert.

Fig. 1a zeigt schematisch die fabrikneue Kontaktstelle zwischen der Stromkollektorschicht der Elektrode 1 aus einem Kohlefaser material und der Bipolarplatte 2. Die oberste Kohlefaserschicht der Elektrode 1 liegt auf der Bipolarplatte 2 auf. Der in der Zelle produzierte elektrische Strom wird senkrecht durch die Kohlefasern in die Bipolarplatte 2 eingeleitet.

Mit zunehmender Betriebszeit bildet sich auf dem Material der Bipolarplatte 2, das nicht unmittelbar durch Kohlefasern kon taktiert ist, eine Schicht 3 aus Korrosionsprodukten (Oxide, Hydroxide, etc.) aus. In dieser Phase wirkt sich das Aufwachsen der Korrosionsprodukte nicht schädlich auf die Zellleistung aus, da der elektrische Strom direkt von den Kohlefasern der Elektrode 1 auf die Bipolarplatte 2 übergehen kann. Dies ist in Fig. 1b dargestellt.

Durch Ausbau der Membran-Elektroden-Einheit und damit der Elek trode 1 und erneutem Einbau derselben oder einer anderen Mem bran-Elektroden-Einheit wird die direkte Übertragung des elek trischen Stromes auf die Bipolarplatte 2 dadurch gestört, dass eine genaue Platzierung jeder einzelnen Kohlefaser der Elektro de 1, die zur vollständigen Wiederherstellung des Kontaktes erforderlich wäre, nicht mehr möglich ist. In der Praxis liegen die Kohlefasern zumindest teilweise auf den Korrosionsschichten 3 auf, die sich in der ersten Betriebsphase zwischen den Kohle fasern gebildet haben. Dies ist in Fig. 1c dargestellt.

In einer folgenden Betriebsphase (siehe Fig. 1d) wachsen die durch den Ausbau der Kohlefasern entstandenen Lücken mit Korro sionsprodukten zu. Der elektrische Strom muß jetzt über die neu entstandene, schlecht leitende Korrosionsschicht 3 zwischen den Kohlefasern der Elektrode 1 und der Bipolarplatte 2 fließen und reduziert die Zellleistung erheblich. Mit jedem weiteren Ausbau nimmt die Dicke der schlechtleitenden Korrosionsschicht 3 ana log zu Fig. 1a-c weiter zu und führt letztendlich zu einem er heblichen Leistungsverlust der Brennstoffzelle.

Die Bildung schlecht leitender Korrosionsschichten wurde in Fig. 1 am Beispiel von Fasermaterialien beschrieben. Es ist je doch offensichtlich, dass dieses Problem auch für jedes andere poröse Material relevant ist.

Zur Neutralisierung dieses Vorgangs schlägt die Erfindung vor, zwischen der Elektrode und der Bipolarplatte bzw. Endplatte eine zusätzliche gasdurchlässige, leitfähige Zwischenschicht anzubringen, die fest mit der Bipolarplatte verbunden ist. Die se Befestigung kann z. B. durch Ankleben erfolgen. Beim Ausbau der Membran-Elektroden-Einheit wird die poröse Zwischenschicht nicht von der Bipolarplatte entfernt. Da die Zwischenschicht so gewählt ist, dass eine Korrosion an dieser praktisch nicht stattfindet, wird die Struktur des Kontakts gemäß Fig. 1b kon serviert, so dass eine durch den Ausbau bedingte Leistungsver schlechterung verhindert wird.

Gemäß einer Alternativlösung kann auf die zusätzliche Zwischen schicht verzichtet werden, wenn die Stromkollektorschicht der Elektrode auf der Bipolarplatte bzw. Endplatte befestigt wird. Diese Befestigung kann zum Beispiel durch Ankleben erfolgen. Ein betriebsbedingter Ausbau betrifft dann nur noch die übrigen Bestandteile der Membran-Elektroden-Einheit, nämlich die Mem bran mit beidseitig aufgebrachten katalytischen Schichten der Elektroden. Dieser Verbund wird im folgenden auch als Membran- Katalysator-Komplex bezeichnet.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Be zugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a-1d eine Erläuterung zum Aufwachsen der schlechtleiten den Korrosionsschichten auf der Oberfläche der Bi polarplatten;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle nach der er sten erfindungsgemäßen Alternative;

Fig. 2 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Brennstoffzel le. Dargestellt ist eine einzelne Zelle mit einer Membran-Elek troden-Einheit 10 zwischen zwei Bipolarplatten 2. Die Bipolar platten 2 enthalten Kanäle 6 für die Zu- und Abfuhr der Pro zessgase. Ausserdem sind die Bipolarplatten 2 mit einer Korro sionsschutzbeschichtung (in der Fig. 2 nicht dargestellt) über zogen. Diese kann ein Nitrid, z. B. Chromnitrid oder Titannitrid oder ein Carbid, z. B. Titancarbid enthalten. Weitere geeignete Materialien für die Korrosionsschutzbeschichtung sind Kohlen stoff oder ein Metall, z. B. Nickel.

Die Membran-Elektroden-Einheit 10 umfasst eine Elektrolytmem bran 7, auf deren Flachseiten die Elektroden 1 als Anode und Kathode aufgebracht sind. Die Elektroden 1 bestehen jeweils aus zwei Schichten (in der Figur nicht einzeln dargestellt), nämlich der katalytischen Schicht, die unmittelbar benachbart zur Mem bran 7 angeordnet ist, sowie der Stromkollektorschicht aus einem porösen, gasdurchlässigen Material, z. B. einem Kohlefa serpapier oder Kohlefaserflies.

Erfindungsgemäß wird zwischen eine Elektrode 1 und eine Bipo larplatte 2 eine zusätzliche Zwischenschicht 5 aus elektrisch leitfähigem Material eingebracht. Das Material der Zwischen schicht 5 wird so gewählt, das es unter den Bedingungen des Brennstoffzellenbetriebs nicht oder nur schwach korrodiert. Die Zwischenschicht 5 kann ebenso wie die Stromkollektorschicht aus einem Kohlefasermaterial, z. B. als Kohlefaserpapier oder Kohle faserflies, bestehen. Die Zwischenschicht ist fest mit der Bi polarplatte verbunden. Die Befestigung der Zwischenschicht mit der Bipolarplatte kann z. B. folgendermaßen hergestellt werden:

- Integration der Zwischenschicht an deren Rändern in das auf der Bipolarplatte befindliche Dichtungsmaterial;
- Ankleben der Zwischenschicht an deren Rändern, z. B. punktu ell oder fortlaufend;
- flächiges Aufkleben über die gesamte Fläche oder über einen Teilbereich der Zwischenschicht mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers;
- mechanisches Festklemmen der Zwischenschicht durch Klemmvor richtungen;
- bei metallischen oder schweißbaren Zwischenschichten: Schweißen.

Die elektrisch leitfähige Zwischenschicht 5 vermittelt den elektrischen Kontakt zwischen Elektrode 1 und Bipolarplatte 2.

Die Zwischenschicht 5 wird - wie in Fig. 2 dargestellt - vor teilhaft sowohl zwischen Anode und anodenseitiger Bipolarplatte eingebracht als auch zwischen Kathode und kathodenseitiger Bipolarplatte.

Beim Ausbau der Membran-Elektroden-Einheit 10 bleibt der Kon takt der Zwischenschicht 5 mit der Bipolarplatte 2 erhalten. Die Trennung der Membran-Elektroden-Einheit 10 von den übrigen Komponenten der Brennstoffzelle erfolgt an der Grenzfläche von Zwischenschicht 5 und Elektrode 1. Diese beiden Komponenten sind nicht fest miteinander verbunden oder verklebt, sondern innerhalb der Zelle lose aufeinandergelegt und aufeinanderge presst.

Somit wird durch den Austausch der Membran-Elektroden-Einheit 10 der Kontakt zwischen Elektrode 1 und Bipolarplatte 2 nicht beeinträchtigt.

Claims

1. Korrosionsbeständige PEM-Erennstoffzelle mit zwei metalli schen Endplatten, zwischen denen alternierend Membran- Elektroden-Einheiten (10) und metallische Bipolarplatten (2) angeordnet sind, wobei die
Membran-Elektroden-Einheiten (10) zwei Elektroden (1) mit gegensätzlicher Polarität sowie eine zwischen den Elektroden (1) angeordnete Elektrolytmembran (7) um fasst, und eine Elektrode (1) jeweils eine katalytische Schicht sowie eine poröse, gasdurchlässige Stromkollek torschicht umfasst, und die
Bipolarplatten (2) und/oder die Endplatten eine Korro sionsschutzbeschichtung aufweisen und eine Kanalstruk tur für die Zu- und Abfuhr der Brennstoffzellenprozess gase umfassen,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen einer Elektrode (1) und einer Bipolarplatte (2) oder Endplatte eine poröse, gasdurchlässige Zwischen schicht (5) vorhanden ist, die an der Kanalstruktur der Bipolarplatte (2) oder Endplatte befestigt ist.

2. PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (5) aus nicht oder nur schwach korrodierendem Material besteht.

3. PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (5) aus Kohlefaserpapier oder Kohlefaservlies besteht.

4. PEM-Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (5) an der Bipolarplatte (2) oder Endplatte durch Kleben befestigt ist.

5. PEM-Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung ein Nitrid oder ein Carbid enthält.

6. PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung Chromnitrid oder Ti tannitrid oder Titancarbid enthält.

7. PEM-Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung Kohlenstoff oder ein Metall enthält.

8. PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung Nickel enthält.

9. PEM-Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht beim Austausch der Membran-Elek troden-Einheit (10) an der Bipolarplatte (2) oder Endplat te verbleibt.