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WO2017102620A1 - Einsatz von leitfähigen und hochporösen vliesen als bipolarplatte in pem-brennstoffzellen - Google Patents

Einsatz von leitfähigen und hochporösen vliesen als bipolarplatte in pem-brennstoffzellen Download PDF

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Publication number
WO2017102620A1
WO2017102620A1 PCT/EP2016/080573 EP2016080573W WO2017102620A1 WO 2017102620 A1 WO2017102620 A1 WO 2017102620A1 EP 2016080573 W EP2016080573 W EP 2016080573W WO 2017102620 A1 WO2017102620 A1 WO 2017102620A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
fleece
carbon
media distribution
cell element
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/080573
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Silvan Hippchen
Kai Weeber
Juergen Rapp
Carsten Herweg
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2017102620A1 publication Critical patent/WO2017102620A1/de

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    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0232—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/02—Details
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    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
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    • Y02E60/50—Fuel cells
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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell element according to the
  • Fuel cells for example, polymer electrolyte fuel cells (PEM fuel cells) having an operating temperature lower than 120 ° C, are electrochemical energy converters in which hydrogen (Hb) and oxygen (O2) in water (H2O), electrical energy and heat are converted.
  • Hb hydrogen
  • O2O oxygen
  • a repeat unit of fuel cells forms a fuel cell stack.
  • the fuel cell stack consists in a planar design of stacked fuel cells, which are designed as bipolar plates (BPP) with seals and membrane electrode units.
  • BPP bipolar plates
  • the bipolar plates are designed as identical parts (identical components) to the
  • the reaction gases for example H2 and O2 in the air, and cooling fluid are introduced into the fuel cell, ie into the cathode and anode chambers of the fuel cell, via a media distributor structure
  • This distributor structure is either a channel milled into a distributor plate or is realized as an electronically conductive porous layer in the form of a foam
  • the distributor plate with the milled-in channel and the foam with the seal are parts of the bipolar plate, for example a PEM Fuel cell or solid polymer fuel cell.
  • the bipolar plate has two important tasks. First, it must ensure optimal gas distribution. The second important task is the electrical conductivity. The resulting in the reaction of hydrogen and oxygen stream must be optimally dissipated. Also, a corrosion resistance of the bipolar plates is for the longevity of the fuel cell and for its optimal efficiency of great importance. A possible corrosion of the distributor structure is the
  • the present invention proposes a fuel cell element comprising at least two media distribution units with a media distribution structure and at least one disposed between the media distribution units membrane electrode assembly with at least one cathode element and at least one anode element and an arranged between the cathode element and the anode element electrolyte membrane element, which includes the technical teaching that at least one
  • Media distribution unit has a nonwoven as media distribution structure.
  • Such fuel cell can be constructed very flat in their design.
  • a fuel cell element denotes a fuel cell.
  • the term fuel cell is therefore used herein synonymously with the term fuel cell element.
  • a plurality of stacked fuel cell elements form a fuel cell stack.
  • a nonwoven in the context of the present invention advantageously comprises fibers which are preferably processed into a tangled or directionally oriented, mechanically consolidated nonwoven. The fibers may be kinked, bent or folded fiber sections of different widths and lengths and, if appropriate, partially connected to one another in a materially cohesive manner.
  • nonwoven fabric used as a media distribution structure in at least one media distribution unit of a bipolar plate is very cost effective because of the recyclable materials, i. H. extremely economical compared to the production of the known bipolar plates, and moreover ecologically due to the saving of raw materials.
  • nonwovens which are also often referred to as 3D fabrics, have a good porosity which ensures optimum fluid flow and, in particular, optimum gas flow.
  • Such nonwovens can be easily adapted to the prevailing conditions in terms of their porosity, fiber density and fleece thickness.
  • the fleece has a fluid-permeable structure which ensures diffusion and distribution of a medium conducted through the fleece, in particular wherein the fleece has a high porosity.
  • a medium is to be understood quite generally a fluid, that is, a liquid or a gas, which is an educt for the fuel cell or a product of the fuel cell.
  • the diffusion and the distribution of the medium conducted through the fleece can be influenced, in particular directed, by the length, the shape and / or the alignment of the fibers in the fleece. Due to the degree of mechanical solidification of the fibers can also be advantageously adjusted the porosity of the web.
  • the nonwoven comprises at least one corrosion resistant material.
  • the at least one corrosion-resistant material serves advantageously to maintain the integrity of the web, ie to maintain the Porosity, diffusion and distribution structures of the fleece.
  • the nonwoven comprises at least 50% proportion to 80% proportion of corrosion-resistant fibers based on the total fiber content of the nonwoven.
  • the fiber content of corrosion-resistant fibers, based on the total fiber content of the nonwoven is between 80% and 95%.
  • 100% of the fibers, based on the total fiber content of the nonwoven are obtained from a corrosion-resistant material.
  • the material of the nonwoven which is used as a media distribution structure in at least one media distributor of a bipolar plate of a fuel cell, is advantageously an electrically conductive and corrosion-resistant material.
  • the electronic conductivity of the web can be advantageous by the proportion of the electronically conductive and corrosion-resistant material
  • a nonwoven used as a media distribution structure in a bipolar plate is a nonwoven, which has a proportion of 100% fibers based on the total fiber content of the nonwoven, which are obtained from a corrosion-resistant and electrically conductive material.
  • the corrosion-resistant material comprises metal, in particular in the form of metal fibers, or carbon, in particular in the form of
  • the nonwoven fabric of the invention may also comprise a combination of metal fibers and carbon fibers.
  • a lower proportion of carbon fibers can lead to a lower weight of the nonwoven. If the focus is on the electrical conductivity of the nonwoven, a higher proportion of metal fibers can advantageously lead to a better electrical conductivity of the nonwoven.
  • Fibers made of an austenitic steel for example stainless steel metal fibers, are particularly suitable for producing the nonwoven fabric according to the invention.
  • carbon fibers for the nonwoven according to the invention are preferably fibers, which are recycled from carbon fiber waste or carbon wastes, or which are obtained by carbonization of carbon in a pyrolysis process, or the carbonized carbon forms the starting material for the carbon fibers. If, for example, the fleece consists of almost pure carbon, good conductivity and corrosion resistance are also ensured.
  • the fleece is preferably designed as a metal fleece or as a carbon fleece or as a metal carbon fleece. Both the metal fleece and the carbon nonwoven fabric can be grade pure, d. H. made of 100% metal fiber content or from
  • Carbon fiber fibers are incorporated, not from the
  • textile or plastic fibers For example, textile or plastic fibers. Such nonwovens are called
  • Mischfaservliese referred to, in which the majority of fibers based on the total fiber content of the web of metal or carbon fibers.
  • the porosity, the material density and / or the thickness of the media distribution manifold structure designed as a nonwoven can advantageously be varied variably by changing the structure of the nonwoven, as already described above.
  • the nonwoven has a thickness of 0.2 to 0.9 cm. Even more preferably, the nonwoven has a thickness of 0.8 cm to 1.9 cm.
  • the nonwoven on a thickness, which allows when used as a media distribution structure in the media distribution unit of a bipolar plate the thickness of min. 2.0 cm from standard bipolar plates with milled distributor structure to fall below.
  • Media distribution structure in the media distribution unit at least one
  • Bipolar plate of a fuel cell for example.
  • a PEM fuel cell or a solid polymer fuel cell the fuel cell compared to the known fuel cells are made smaller and more compact.
  • the stack compared to the known stacks be made significantly more compact. This generates space and space for the mobile use of such a fuel cell.
  • in automotive use can be due to the compact design of the invention
  • Fuel cell the number of fuel cells in a vehicle and thus the capacity of the fuel cell stacks made of fuel cells can be increased. This has the consequence that the range of a vehicle, for example. An electric vehicle or a hybrid vehicle can be significantly increased.
  • the fleeces used as a media distribution structure compared to the known media distribution structures are very light, so that the fuel cells produced with these fleeces and fuel cell stacks made of fuel cells over the known stacks have a significant weight advantage, which, for example. In the automotive use of the fuel cell according to the invention to a massive weight reduction a vehicle leads.
  • Fuel cells can be reduced, since the materials for the media distribution structure, which is configured as a nonwoven, can be obtained from recycled fiber waste or from waste waste.
  • the configured with a nonwoven media distribution structure fuel cell compared to the known fuel cells overall performance advantages that, for example, in a
  • the fleece as a cotton product or felt product (needle felt) on the
  • the products constructed from layers of nonwovens are nonwovens, if not only superficial, but also in the interior a substantial solidification of the fibers takes place or, although preferably only the near-surface
  • Products with a density ⁇ 0.15 g / cm 3 are then advantageously added to the nonwovens, all with equal or higher density to the needle felts.
  • a medium distribution structure structures of limited length fibers, continuous filaments (filaments), cut yarns of any kind and of any origin or of fibrous waste, or Cuttings preferably use fibers obtained by means of modified cutting and tearing techniques, which in some way are joined together to form a nonwoven, a fibrous layer or a batt and are somehow connected to each other as "nonwoven".
  • the present invention relates to a fuel cell stack, comprising at least two fuel cell elements arranged in series with one another, in particular two fuel cell elements arranged in series with one another according to the invention.
  • FIG. 1 shows a fuel cell element according to the invention with one each
  • anode-side and a cathode-side media distribution unit which comprises a nonwoven media distribution structure.
  • FIG. 1 shows a fuel cell element (1) according to the invention.
  • Fuel cell element (1) comprises a cathode element (4) and a
  • Anode element (5) is an electrolyte membrane element (6), for example, a Nafion membrane arranged.
  • the cathode element (4), the anode element (5) and the electrolyte membrane element (6) together form the membrane electrode assembly (3) of the fuel cell element (1).
  • Anode element (5) is followed by a media distributor unit (2A). To the right of the cathode element (4) is connected a media distributor unit (2K). Both media distribution units (2A, 2K) have a media distribution structure (7) which is supplied with fuel gas (fluid) via a supply opening "manifold" 9. Both media distribution units (2A, 2K) have a nonwoven (8) as media distribution structure (FIG. 7), which serves to over the
  • Media distributor structure (7) thus serves according to the invention as a gas diffusion system of the bipolar plate of the fuel cell element (1) adjoining the cathode element (4) and the anode element (5).
  • electrical energy is dissipated via the fleece (8) and reaction gases and combustion products are discharged from the combustion chamber of the fuel cell element (1) via the media distributor unit (2A, 2K), in particular via the fleece (8) designed as a media distributor structure (7).

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Abstract

Brennstoffzellenelement (1), mindestens aufweisend zwei Medienverteilereinheiten (2A, 2K) mit einer Medienverteilerstruktur (7) und zumindest eine zwischen den Medienverteilereinheiten (2A, 2K) angeordnete Membran-Elektroden-Einheit (3) mit zumindest einem Kathodenelement (4) und mit zumindest einem Anodenelement (5) und einem zwischen dem Kathodenelement (4) und dem Anodenelement (5) angeordneten Elektrolyt-Membran-Element (6). Erfindungswesentlich ist vorgesehen, dass zumindest eine Medienverteilereinheit (2A, 2K) ein Vlies (8) als Medienverteilerstruktur (7) aufweist.

Description

Beschreibung Titel
Einsatz von leitfähigen und hochporösen Vliesen als Bipolarplatte in PEM- Brennstoffzellen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenelement nach dem
Oberbegriff von Anspruch 1.
Stand der Technik
Brennstoffzellen, beispielsweise Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEM- Brennstoffzellen), die eine Betriebstemperatur von niedriger als 120°C aufweisen, sind elektrochemische Energiewandler, bei denen Wasserstoff (Hb) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt werden.
Eine Wiederholungseinheit von Brennstoffzellen bildet einen Brennstoffzellenstack. Der Brennstoffzellenstack besteht in einer planaren Bauform aus aufeinander gestapelten Brennstoffzellen, die als Bipolarplatten (BPP) mit Dichtungen und Membran- Elektrodeneinheiten ausgestaltet sind. Dabei sind die Bipolarplatten als Gleichteile (baugleiche Bauteile) ausgebildet, um die
Herstellungskosten möglichst gering zu halten. Die Bipolarplatten weisen Versorgungsöffnungen„Manifolds" auf. Die Versorgungsöffnungen dienen der Medienversorgung einer jeden Bipolarplatte. Die Reaktionsgase z. B. H2 und O2 in der Luft sowie Kühlflüssigkeit werden über eine Medienverteilerstruktur in die Brennstoffzelle, d. h. in den Kathoden- und den Anodenraum der Brennstoffzelle geleitet. Diese Verteilerstruktur ist entweder als Kanal, der in eine Verteilerplatte gefräst ist, oder ist als elektronisch leitfähige poröse Schicht in Form eines Schaums realisiert. Die Verteilerplatte mit dem eingefrästen Kanal und der Schaum mit der Dichtung sind Teile der Bipolarplatte, beispielsweise einer PEM- Brennstoffzelle oder Feststoffpolymer-Brennstoffzelle. Die Bipolarplatte hat zwei wichtige Aufgaben. Zunächst muss sie eine optimale Gasverteilung gewährleisten. Die zweite wichtige Aufgabe ist die elektrische Leitfähigkeit. Der bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entstehende Strom muss optimal abgeführt werden. Auch eine Korrosionsbeständigkeit der Bipolarplatten ist für die Langlebigkeit der Brennstoffzelle und für dessen optimalen Wirkungsgrad von großer Wichtigkeit. Eine mögliche Korrosion der Verteilerstruktur ist dem
Umstand geschuldet, dass das bei der Reaktion in der Brennstoffzelle entstehende chemisch reine Wasser sehr korrosiv ist. Außerdem entsteht im Grenzbereich der Membran (Nafionmembran) ein saures Milieu durch
Anlagerung von H3O Ionen aus dem Wasser an die SGrGruppe des Nafions. Das durch diese Reaktion gebildete schwefelsaure Milieu im Bereich an der Nafionmembran kann zur Korrosion der Verteilerplatte führen.
Offenbarung der Erfindung
Um eine optimale Medien- oder Fluidverteilung, insbesondere eine optimale Gasverteilung, in der Brennstoffzelle oder in dem Brennstoffzellenstack zu gewährleisten, und um eine optimale Leitfähigkeit der Verteilerstruktur zu gewährleisten, schlägt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellenelement, mindestens aufweisend zwei Medienverteilereinheiten mit einer Medienverteiler- struktur und zumindest eine zwischen den Medienverteilereinheiten angeordnete Membran-Elektroden-Einheit mit zumindest einem Kathodenelement und mit zumindest einem Anodenelement und einem zwischen dem Kathodenelement und dem Anodenelement angeordneten Elektrolyt-Membran-Element vor, welches die technische Lehre einschließt, dass zumindest eine
Medienverteilereinheit ein Vlies als Medienverteilerstruktur aufweist. Derartige Brennstoffzelle können in ihrer Bauform besonders flach aufgebaut sein.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet ein Brennstoffzellenelement eine Brennstoffzelle. Der Begriff Brennstoffzelle wird daher vorliegend synonym mit dem Begriff Brennstoffzellenelement verwendet. Mehrere gestapelte Brennstoffzellenelemente bilden einen Brennstoffzellenstack. Ein Vlies im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst vorteilhaft Fasern, die vorzugsweise zu einem wirren oder richtungsorientierten, mechanisch verfestigten Vlies verarbeitet sind. Die Fasern können geknickte, gebogene oder gefaltete Faserabschnitte von unterschiedlicher Breite und Länge sein und ggf. teilweise stoffschlüssig miteinander verbunden sein.
Als Ersatz zu mechanisch hergestellten (gefrästen) Gasverteilerplatten
(Bipolarplatten) bietet sich vorteilhaft ein Vlies an, das bevorzugt mit
Technologien aus der Textilindustrie preiswert herzustellen ist. Unter anderem können vorteilhaft Faserabfälle oder Verschnittabfälle vorzugsweise mittels modifizierter Schneid- und Reißtechnik wieder aufgearbeitet werden. Daher ist die Herstellung eines Vlieses, das als Medienverteilerstruktur in zumindest einer Medienverteilereinheit einer Bipolarplatte eingesetzt wird, aufgrund der recycelbaren Materialien sehr kostengünstig, d. h. überaus ökonomisch gegenüber der Herstellung der bekannten Bipolarplatten, und darüber hinaus aufgrund des Einsparens von Rohstoffen überaus ökologisch. Solche, auch oft als 3D-Gewebe bezeichneten Vliese habe eine gute Porosität, die eine optimale Fluiddurchströmung und insbesondere eine optimale Gasdurchströmung gewährleistet. Solche Vliese können in ihrer Porosität, Faserdichtheit und Vliesdicke an die jeweiligen Rahmenbedingungen leicht angepasst werden.
Vorteilhaft weist das Vlies eine fluiddurchlässige Struktur auf, die eine Diffusion und Verteilung eines durch das Vlies geleiteten Mediums gewährleistet, insbesondere wobei das Vlies eine hohe Porosität aufweist. Als Medium soll ganz allgemein ein Fluid, also eine Flüssigkeit oder ein Gas verstanden werden, welches ein Edukt für die Brennstoffzelle oder ein Produkt der Brennstoffzelle ist. Vorteilhaft kann durch die Länge, die Form und/oder durch das Ausrichten der Fasern in dem Vlies die Diffusion und die Verteilung des durch das Vlies geleiteten Mediums beeinflusst, insbesondere gelenkt werden. Durch den Grad der mechanischen Verfestigung der Fasern kann zudem vorteilhaft die Porosität des Vlieses eingestellt werden.
Vorzugsweise umfasst das Vlies zumindest ein korrosionsbeständiges Material. Das zumindest eine korrosionsbeständige Material dient dabei vorteilhaft zur Aufrechterhaltung der Integrität des Vlieses, d. h. zur Aufrechterhaltung der Porosität, der Diffusion und der Verteilerstrukturen den Vlieses. In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Vlies wenigstens 50%-Anteil bis 80%- Anteil korrosionsbeständige Fasern bezogen auf den Gesamtfaseranteil des Vlieses. In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt der Faseranteil von korrosionsbeständigen Fasern bezogen auf den Gesamtfaseranteil des Vlieses einen Anteil zwischen 80%-Anteil bis 95%-Anteil. In einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung des Vlieses sind 100%-Anteil der Fasern bezogen auf den Gesamtfaseranteil des Vlieses aus einem korrosionsbeständigen Material gewonnen.
Das Material des Vlieses, das als Medienverteilerstruktur in zumindest einem Medienverteiler einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle eingesetzt ist, ist vorteilhaft ein elektrisch leitfähiges und korrosionsbeständiges Material. Die elektronische Leitfähigkeit des Vlieses kann dabei vorteilhaft durch den Anteil der aus dem elektronisch leitfähigen und korrosionsbeständigen Material
gewonnenen Fasern eingestellt werden. Demzufolge eignet sich für eine besonders hohe elektronische Leitfähigkeit eines als Medienverteilerstruktur in eine Bipolarplatte eingesetzten Vlieses ein Vlies, das einen Anteil von 100% Fasern bezogen auf den Gesamtfaseranteil des Vlieses aufweist, welche aus einem korrosionsbeständigen und elektrisch leitfähigen Material gewonnen werden.
Um die Attribute der Korrosionsbeständigkeit und der elektrischen Leitfähigkeiten zu erfüllen, umfasst das korrosionsbeständige Material Metall, insbesondere in Form von Metallfasern, oder Kohlenstoff, insbesondere in Form von
Kohlenstofffasern. Vorzugsweis kann das erfindungsgemäße Vlies auch eine Kombination von Metallfasern und Kohlenstofffasern umfassen. Dabei kann bspw. ein geringerer Anteil an Kohlenstofffasern zu einem geringeren Gewicht des Vlieses führen. Ist das Augenmerk auf die elektrische Leitfähigkeit des Vlieses gerichtet, kann ein höherer Anteil an Metallfasen vorteilhaft zu einer besseren elektrischen Leitfähigkeit des Vlieses führen.
Besonders bevorzugt eignen sich zur Herstellung des erfindungsgemäßen Vlieses Fasern aus einem austenitischen Stahl, bspw. Edelstahlmetallfasern. Als Kohlenstofffasern für das erfindungsgemäße Vlies eignen sich bevorzugt Fasern, die aus Carbonfaserabfall oder aus Carbonverschnittabfall recycelt werden, oder die durch Carbonisierung von Kohlenstoff in einem Pyrolyseprozess gewonnen werden, bzw. der carbonisierte Kohlenstoff das Ausgangsmaterial für die Kohlenstofffasern bildet. Besteht beispielsweise das Vlies aus nahezu reinem Kohlenstoff ist auch eine gute Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit gegeben.
Vorzugsweise ist das Vlies als Metallvlies oder als Kohlenstoffvlies oder als Metall- Kohlenstoffvlies ausgestaltet. Sowohl das Metallvlies als auch das Kohlenstoffvlies kann Sortenrein, d. h. aus 100% Metallfaseranteil oder aus
100% Kohlenstofffaseranteil bezogen auf den Gesamtfaseranteil des Vlieses ausgestaltet sein. Es können aber auch in dem Metallvlies oder in dem
Kohlenstoffvlies Fasern eingearbeitet sein, die nicht aus den
Ausgangsmaterialien Metall oder Kohlenstoff gewonnen werden, wie
beispielsweise Textil- oder Kunststofffasern. Solche Vliese werden als
Mischfaservliese bezeichnet, bei denen der Hauptanteil an Fasern bezogen auf den Gesamtfaseranteil des Vlieses aus Metall- oder Kohlenstofffasern besteht.
In vorteilhafter Weise ist die Struktur der als Vlies ausgestalteten
Medienverteilerverteilerstruktur variabel veränderbar. Dabei kann vorteilhaft durch die Veränderung der Struktur des Vlieses, wie bereits oben beschrieben, die Porosität, die Materialdichte und/oder die Dicke der als Vlies ausgestalteten Medienverteilerverteilerstruktur variabel verändert werden. In bevorzugter Weise weist das Vlies eine Dicke von 0,2 bis 0,9 cm. In noch bevorzugter Weise weist das Vlies eine Dicke von 0,8 cm bis 1,9 cm auf. In ganz bevorzugter Weise weist das Vlies ein Dicke auf, die es erlaubt beim Einsatz als Medienverteilerstruktur in der Medienverteilereinheit einer Bipolarplatte die Dicke von min. 2,0 cm von Standardbipolarplatten mit gefräster Verteilerstruktur zu unterschreiten. Damit kann durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Vlieses als
Medienverteilerstruktur in der Medienverteilereinheit zumindest einer
Bipolarplatte einer Brennstoffzelle, bspw. einer PEM-Brennstoffzelle oder einer Feststoffpolymer-Brennstoffzelle, die Brennstoffzelle gegenüber den bekannten Brennstoffzellen kleiner und kompakter ausgestaltet werden. Bei Verwendung mehrerer übereinandergestapelter Brennstoffzellen, die zu einem Stack zusammengeschaltet sind, kann der Stack gegenüber den bekannten Stacks deutlich kompakter ausgestaltet werden. Dies generiert für den mobilen Einsatz einer solchen Brennstoffzelle Raum und Platz. Insbesondere im automotiven Einsatz kann durch die kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen
Brennstoffzelle die Anzahl der Brennstoffzellen in einem Fahrzeug und damit auch die Kapazität der aus den Brennstoffzellen hergestellten Brennstoffzellenstacks erhöht werden. Das hat zur Folge, dass die Reichweite eines Fahrzeuges, bspw. eines Elektrofahrzeuges oder eines Hybridfahrzeuges deutlich erhöht werden kann. Zudem sind die als Medienverteilerstruktur eingesetzten Vliese gegenüber den bekannten Medienverteilerstrukturen sehr leicht, sodass die mit diesen Vliesen hergestellten Brennstoffzellen und die aus den Brennstoffzellen hergestellten Brennstoffzellenstacks gegenüber den bekannten Stacks einen signifikanten Gewichtsvorteil aufweisen, was bspw. im automotiven Einsatz der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen zu einer massiven Gewichtsreduzierung eines Fahrzeuges führt. Darüber hinaus können die Kosten für die erfindungsgemäßen Brennstoffzellen gegenüber den bekannten
Brennstoffzellen reduziert werden, da die Materialien für die Medienverteilerstruktur, die als Vlies ausgestaltet ist, aus recycelten Faserabfällen oder aus Verschnittabfällen gewonnen werden können. Somit weist die mit einem Vlies als Medienverteilerstruktur ausgestaltete Brennstoffzelle gegenüber den bekannten Brennstoffzellen insgesamt Performance Vorteile auf, die es bspw. bei einem
Einsatz der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen in einem Fahrzeug erlauben, die Reichweite und damit den Einsatzradius des Fahrzeuges deutlich zu erhöhen. Vorteilhaft kann das Vlies als Watte-Produkt oder Filz-Produkt (Nadelfilz) auf der
Basis von Faservliesen ausgestaltet sein. Die aus Schichten von Vliesen aufgebauten Produkte zählen zu den Vliesstoffen, wenn nicht nur eine oberflächliche, sondern auch im Inneren eine weitgehende Verfestigung der Fasern erfolgt oder wenn zwar vorzugsweise nur die oberflächennahen
Schichten, aber dafür vollständig und gleichmäßig verfestigt und geglättet sind.
Erzeugnisse mit einer Dichte <0,15 g/cm3 werden danach vorteilhaft zu den Vliesstoffen gerechnet, alle mit gleicher oder höherer Dichte zu den Nadelfilzen. Vorzugsweise lassen sich als Medienverteilerstruktur vorteilhaft Gebilde aus Fasern begrenzter Länge, Endlosfasern (Filamenten), geschnittenen Garnen jeglicher Art und jeglichen Ursprungs oder aus Faserabfällen oder Verschnittabfällen vorzugsweise mittels modifizierter Schneid- und Reißtechnik gewonnene Fasern, welche auf irgendeine Weise zu einem Vlies, zu einer Faserschicht oder einem Faserflor zusammengefügt und auf irgendeine Weise miteinander als„nonwoven" verbunden werden, verwenden.
Die vorliegende Erfindung betrifft neben einem Brennstoffzellenelement einen Brennstoffzellenstapel, aufweisend mindestens zwei miteinander in Reihe angeordnete Brennstoffzellenelemente, insbesondere zwei miteinander in Reihe angeordnete erfindungsgemäße Brennstoffzellenelemente.
Um hier Wiederholungen bezüglich weiterer Vorteile des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels zu vermeiden, wird auf die Beschreibung der vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenelements verwiesen und es wird vollumfänglich auf diese zurückgegriffen.
Bevorzugtes Ausführungsbeispiel:
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, welches in der Figur schematisch dargestellt ist. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich, als auch in verschiedensten
Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figur nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigt in schematischer Darstellung:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellenelement mit jeweils einer
anodenseitigen und einer kathodenseitigen Medienverteilereinheit, die als Medienverteilerstruktur ein Vlies umfasst.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellenelement (1). Das
Brennstoffzellenelement (1) umfasst ein Kathodenelement (4) und ein
Anodenelement (5). Zwischen dem Kathodenelement (4) und dem
Anodenelement (5) ist ein Elektrolyt-Membran-Element (6), bspw. eine Nafionmembran angeordnet. Das Kathodenelement (4), das Anodenelement (5) und das Elektrolyt-Membran-Element (6) bilden gemeinsam die Membran- Elektroden-Einheit (3) des Brennstoffzellenelements (1). Links von dem
Anodenelement (5) schließt sich eine Medienverteilereinheit (2A) an. Rechts von dem Kathodenelement (4) schließt sich eine Medienverteilereinheit (2K) an. Beide Medienverteilereinheiten (2A, 2K) weisen eine Medienverteilerstruktur (7) auf, die jeweils über eine Versorgungsöffnung„Manifold" (9) mit Brenngas (Fluid) versorgt wird. Beide Medienverteilereinheit (2A, 2K) weisen ein Vlies (8) als Medienverteilerstruktur (7) auf, welches dazu dient das über die
Versorgungsöffnung (9) in die Medienverteilereinheit (2A) oder (2K) eingeleitete Fluid (Brenn-/ Reaktionsgas h und O2) gleichmäßig verteilt in das
Anodenelement (5) und das Kathodenelement (4), d. h. in den Brennraum des Brennstoffzellenelements (1) zu leiten. Die als Vlies (8) ausgestaltete
Medienverteilerstruktur (7) dient somit erfindungsgemäß als Gasdiffusionsanlage der an das Kathodenelement (4) und das Anodenelement (5) anschließenden Bipolarplatte des Brennstoffzellenelements (1). Zudem wird über das Vlies (8) elektrische Energie abgeleitet und Reaktionsgase sowie Brennprodukte aus dem Brennraum des Brennstoffzellenelements (1) über die Medienverteilereinheit (2A, 2 K), insbesondere über das als Medienverteilerstruktur (7) ausgestaltete Vlies (8) abgeleitet.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellenelement (1), mindestens aufweisend zwei
Medienverteilereinheiten (2A, 2K) mit einer Medienverteilerstruktur (7) und zumindest eine zwischen den Medienverteilereinheiten (2A, 2K) angeordnete Membran-Elektroden-Einheit (3) mit zumindest einem
Kathodenelement (4) und mit zumindest einem Anodenelement (5) und einem zwischen dem Kathodenelement (4) und dem Anodenelement (5) angeordneten Elektrolyt-Membran-Element (6),
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine Medienverteilereinheit (2A, 2 K) ein Vlies (8) als Medienverteilerstruktur (7) aufweist.
2. Brennstoffzellenelement (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Vlies (8) eine fluiddurchlässige Struktur aufweist, die eine Diffusion und Verteilung eines durch das Vlies (8) geleiteten Mediums gewährleistet, insbesondere wobei das Vlies (8) eine hohe Porosität aufweist.
3. Brennstoffzellenelement (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Vlies (8) zumindest ein korrosionsbeständiges Material umfasst.
4. Brennstoffzellenelement (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das korrosionsbeständige Material elektrisch leitfähig ist. Brennstoffzellenelement (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das korrosionsbeständige Material Metall, insbesondere in Form von Metallfasern, und/oder Kohlenstoff umfasst, insbesondere in Form von Kohlenstofffasern.
Brennstoffzellenelement (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das Vlies (8) als Metallvlies und/oder als Kohlenstoffvlies ausgestaltet ist.
Brennstoffzellenelement (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass als korrosionsbeständiges Material zur Herstellung des
Kohlenstoffvlieses Carbonfaserabfall, Carbonverschnittabfall und/oder der in einem Pyrolyseprozess carbonisierte Kohlenstoff verwendbar ist, insbesondere wobei der Carbonfaserabfall, der Carbonverschnittabfall und/oder der in dem Pyrolyseprozess erhaltene carbonisierte Kohlenstoff mittels modifizierter Schneid- und Reißtechnik zur Herstellung des
Kohlenstoffvlieses aufarbeitbar ist.
Brennstoffzellenelement (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Struktur der als Vlies (8) ausgestalteten
Medienverteilerverteilerstruktur (7) variabel veränderbar ist, insbesondere wobei über die Veränderung der Struktur die Porosität, die Materialdichte und/oder die Dicke der als Vlies (8) ausgestalteten
Medienverteilerverteilerstruktur (7) variabel veränderbar ist, insbesondere wobei die Dicke des Vlieses (8) 0,5 cm bis 3 cm umfasst.
Brennstoffzellenelement (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das Vlies (8) als Watte-Produkt oder Filz-Produkt auf der Basis von Faservliesen ausgestaltet ist. Brennstoffzellenstapel, aufweisend mindestens zwei miteinander in Reihe angeordnete Brennstoffzellenelemente (1), insbesondere zwei miteinander in Reihe angeordnete Brennstoffzellenelemente (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
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