DE10163687A1

DE10163687A1 - Brennstoffzelle oder Hydrolyseur mit einer Protonenaustauschmembran und mindestens einer durchbrochenen Flächenelektrode

Info

Publication number: DE10163687A1
Application number: DE10163687A
Authority: DE
Inventors: Klaus Ruthrof
Original assignee: H2 INTERPOWER BRENNSTOFFZELLEN
Current assignee: POWERAVENUE CORP., NASHVILLE, TENN., US
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2003-07-10

Abstract

Eine Brennstoffzelle bzw. ein Hydrolyseur umfasst eine zentrale Protonenaustauschmembran, eine Diffusorschicht auf mindestens einer Seite der Protonenaustauschmembran und eine die Diffusorschicht flächig abstützende, Durchbrechungen (7) aufweisende Flächenelektrode (6), wobei die Flächenelektrode (6) ein Nickel enthaltendes Grundgerüst (8) und eine Edelmetallbeschichtung (9) auf dem Grundgerüst (8) aufweist. Das Grundgerüst (8) der Flächenelektrode (6) besteht zu mindestens 90 Gewichts-% aus Nickel. Die Edelmetallbeschichtung (9) schließt das Grundgerüst (8) vollständig ein und besteht zu mindestens 90% aus Platin und/oder Palladium.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle oder einen Hydrolyseur mit einer zentralen Protonenaustauschmembran, mit einer Diffusorschicht auf mindestens einer Seite der Protonenaustauschmembran und mit einer die Diffusorschicht flächig abstützenden, Durchbrechungen aufweisenden Flächenelektrode, wobei die Flächenelektrode ein Nickel enthaltendes Grundgerüst und eine Edelmetallbeschichtung auf dem Grundgerüst aufweist.
Im folgenden wird zur Beschreibung der Erfindung teilweise nur auf eine Brennstoffzelle abgestellt. Es ist dabei aber immer auch ein Hydrolyseur gemeint. Während in einer Brennstoffzelle die kalte Oxydation eines Brenngases, beispielsweise Wasserstoff, zur Stromgewinnung erfolgt, wird in einem Hydrolyseur unter Einsatz von elektrischem Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. In beiden Fällen wandern Protonen von einer Seite auf die andere, die durch die Protonenaustauschmembran voneinander getrennt sind.
Eine Brennstoffzelle der eingangs beschriebenen Art ist aus der WO 99/41796 bekannt. Die Protonenaustauschmembran ist hier zwischen zwei Diffusorschichten angeordnet, über die Wasserstoff einerseits und Sauerstoff andererseits an die Protonenaustauschmembran gelangen. Die Diffusorschichten werden rückwärtig jeweils durch eine Flächenelektrode abgestützt, die Durchbrechungen aufweist, damit der Wasserstoff bzw. der Sauerstoff durch die Flächenelektrode in die davor liegende Diffusorschicht gelangen kann. Die Flächenelektroden werden ihrerseits rückwärtig durch Plattenelemente abgestützt, in denen Schlitze oder Kanäle zur Gasversorgung ausgebildet sind. Die Flächenelektroden müssen fest an die Diffusorschichten angedrückt werden, um einen guten elektrischen Kontakt bereitzustellen. Anderenfalls wird der elektrische Innenwiderstand der Brennstoffzelle zu groß. Auch die elektrische Leitung in der Ebene der Flächenelektroden ist eine bestimmende Größe für den Innenwiderstand der Brennstoffzelle. D. h., das Elektrodenmaterial der Flächenelektroden muss möglichst gut elektrisch leitend sein, um den in der Brennstoffzelle erzeugten Strom möglichst verlustfrei ableiten zu können. Bei der bekannten Brennstoffzelle der eingangs beschriebenen Art sind die Flächenelektroden als flache Elektrodenelemente durch Stanzen oder Ätzen aus einem dünnen Blech oder einer Folie hergestellt und besitzen in dem aktiven Bereich jeweils eine Vielzahl von als Gasdurchtrittsöffnungen dienenden Durchbrechungen. Die Durchbrechungen können beispielsweise durch Stanzen und/oder Ätzen und/oder Bohren und/oder Stechen eingebracht sein. Das Grundgerüst der Flächenelektroden besteht aus einem korrosionsbeständigem Metall, beispielsweise aus nicht rostendem Chrom-Nickel-Stahl. Das Grundgerüst kann zumindest an seiner der jeweiligen Diffusorschicht zugewandten Hauptfläche mit einer Edelmetallbeschichtung versehen sein. Diese Edelmetallbeschichtung dient zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit und zur Verringerung des Kontaktwiderstands zwischen der jeweiligen Flächenelektrode und der zugehörigen Diffusorschicht.
Grundsätzlich ist es bekannt, dass Nickel eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist. In Brennstoffzellen und Hydrolyseuren ist das Verwenden von Nickel als Elektrodenmaterial jedoch nicht unkritisch, da die Gefahr besteht, dass Ni³⁺-Ionen die Protonentransportwege der Protonenaustauschmembran blockieren bzw. verstopfen. Dies gilt für eine Vielzahl von bekannten Materialien für die Verwendung als Protonenaustauschmembran, die auch als Polymerelektrolytmembranen bezeichnet werden.
Zur Verwendung als Elektrodenmaterial in Brennstoffzellen sind auch platinbeschichtete Titandrähte bekannt. Einerseits dient hier das Platin als Korrosionsschutzschicht, und andererseits ist auch die Ausnutzung der katalytischen und kontaktwiderstandsreduzierenden Wirkung von Platin in Brennstoffzellen bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle und einen Hydrolyseur der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, bei denen der elektrische Innenwiderstand besonders gering ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einer Brennstoffzelle bzw. einem Hydrolyseur der eingangs beschriebenen Art das Grundgerüst mindestens einer Flächenelektrode zu mindestens 90 Gewichts-% aus Nickel besteht und das die Edelmetallbeschichtung das Grundgerüst innerhalb der Brennstoffzelle bzw. des Hydrolyseurs vollständig abdeckt und zu mindestens 90% aus Platin und/oder Palladium besteht.
Durch die Ausbildung des Grundgerüsts der Flächenelektrode zu mindestens 90 Gewichts-% aus Nickel wird eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit im Kern der Flächenelektrode sichergestellt. Dass es trotzdem nicht zu einer Beeinträchtigung der Funktion der Brennstoffzelle bzw. des Hydrolyseurs durch Nickelionen kommt, wird durch die Edelmetallbeschichtung sichergestellt, die das Grundgerüst zumindest innerhalb der Brennstoffzelle bzw. des Hydrolyseurs vollständig einschließt. Als Material der Edelmetallbeschichtung wird bei einer neuen Brennstoffzelle Platin und/oder Palladium verwandt. Diese Edelmetalle stellen einerseits einen absolut dauerhaften Schutzüberzug für das Grundgerüst auf der Basis von Nickel sicher, der weder chemisch noch bei normaler Beanspruchung mechanisch zerstört wird. Andererseits sind diese Edelmetalle auch besonders günstig, was ihre Auswirkungen auf den Kontaktwiderstand zur Diffusorschicht und ihre katalytische Wirkung im Bezug auf die in der Brennstoffzelle bzw. dem Hydrolyseur ablaufenden chemischen Prozesse anbelangt. Im Ergebnis wird bei der neuen Brennstoffzelle bzw. dem neuen Hydrolyseur ein vergleichsweise sehr kleiner elektrischer Innenwiderstand gemessen.
Günstig ist es, wenn das Grundgerüst zu mindestens 96 Gewichts-%, vorzugsweise zu sogar 99 Gewichts-%, aus Nickel besteht.
Dabei kann das Grundgerüst zusammen mit den Durchbrechungen unter Verwendung einer Maske hergestellt sein. D. h., Nickel mit der angegebenen Reinheit kann zur Herstellung des Grundgerüsts auf einer Maske abgeschieden werden, die beispielsweise durch unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheiten die Bereiche der gewünschten Durchbrechungen vorgibt. Beispielsweise kann das Grundgerüst galvanisch auf einer Maske abgeschieden werden, die in dem Bereich der gewünschten Durchbrechungen isoliert ist. Derartige lokale Isolationen können fototechnisch aufgebracht sein.
Die Edelmetallbeschichtung besteht günstigerweise zu mindestens 96 Gewichts-%, vorzugsweise zu mindestens 99 Gewichts-% aus Platin und/oder Palladium. Sie kann beispielsweise galvanisch auf dem Grundgerüst abgeschieden sein, wobei die angegebenen Reinheiten problemlos zu erreichen sind.
Um die Anhaftung der Platinschicht an dem Grundgerüst aus Nickel zu verbessern und um auch das Grundgerüst aus Nickel gegenüber den strengen chemischen Bedingungen eines Platingalvanisierbads zu schützen, kann zwischen dem Grundgerüst und der Edelmetallbeschichtung eine Phosphornickelschicht vorgesehen sein. Die Phosphornickelschicht kann durch Phosphorilierung der Oberfläche des Grundgerüsts hergestellt sein.
Das Grundgerüst kann eine Dicke von 0,1 bis 0,3 mm und die Edelmetallbeschichtung eine Stärke von 0,2 bis 1,0 µm aufweisen. Die Dicke des Grundgerüsts muss so groß gewählt werden, dass in der Ebene der Flächenelektrode eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit gegeben ist und die Flächenelektrode die nötigen mechanischen Stabilitäten aufweist. Die Stärke der Edelmetallbeschichtung muss so dick sein, dass der geforderte vollflächige Überzug des Grundgerüsts der Flächenelektrode sichergestellt ist. Ein stärkerer Überzug verbietet sich allein aus Kostengründen.
Die Durchbrechungen in der Flächenelektrode können rund- und/oder langlochförmig sein. Typischerweise werden die Durchbrechungen relativ geringe Einzelabmessungen aufweisen. So sind sie in der Regel in mindestens einer Richtung nicht breiter als 1 mm, vorzugsweise nicht breiter als 0,5 mm, und in der Richtung senkrecht dazu nicht länger als 5 mm, vorzugsweise nicht länger als 3 mm.
Die Flächendichte der Durchbrechungen beträgt aber typischerweise 30 bis 70% der Gesamtfläche der Flächenelektrode.
Die geometrischen Abmessungen der Flächenelektrode sind damit bekannten Metallfiltern für Tee bzw. Kaffee, die aus mit Gold beschichtetem Nickel bestehen können, nicht unähnlich.
Die Flächenelektroden müssen ihre Durchbrechungen nicht in allen Bereichen mit einer gleichen Dichte und Anordnung aufweisen. Insbesondere in einem Randbereich der Flächenelektrode können die Durchbrechungen in einer anderen Anordnung vorgesehen sein. Es können dort auch überhaupt keine Durchbrechungen vorgesehen sein. In diesem Randbereich geht es typischerweise nicht mehr um eine Gasversorgung einer vor der Flächenelektrode liegenden Diffusorschicht sondern um eine Verankerung der Flächenelektrode bzw. eine Abdichtung der Brennstoffzelle und häufig eine gleichzeitige Hindurchführung der Flächenelektrode durch diese Abdichtung, um den in einer Brennstoffzelle hergestellten bzw. in einem Hydrolyseur benötigten elektrischen Strom ab- bzw. zuzuleiten. Bei der Abdichtung einer Brennstoffzelle geht es vor allem darum, die beiden Seiten der Protonenaustauschmembran gegeneinander abzudichten, um die Entstehung von Knallgas zu vermeiden. Außerhalb dieser Abdichtung kann die Edelmetallbeschichtung des Grundgerüsts Unterbrechungen aufweisen, die beispielsweise vom Ablängen der Flächenelektrode herrühren, ohne dass dies der Funktion der Brennstoffzelle entgegensteht.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigt
Fig. 1 den typischen Schichtaufbau einer neuen Brennstoffzelle,
Fig. 2 einen stark vergrößerten Schnitt durch eine Flächenelektrode der Brennstoffzelle gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine vergrößerte Draufsicht auf die Flächenelektrode gemäß Fig. 1 und 2 und
Fig. 4 eine vergrößerte Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform der Flächenelektrode.
Die in Fig. 1 in Form ihrer wesentlichen Bestandteile wiedergegebene Brennstoffzelle 1 weist eine zentrale Protonenaustauschmembran 2 auf, die aufgrund ihrer Zusammensetzung auch als Polymerelektrolytmembran bezeichnet wird. Auf beiden Seiten der Protonenaustauschmembran 2 sind Diffusorschichten 3 angeordnet, die gasdurchlässig sind und über die Wasserstoff 4 als Brenngas einerseits und Sauerstoff 5 andererseits an die Protonenaustauschmembran gelangen. Die Protonenaustauschmembran 2 verhindert einen unmittelbaren Kontakt bzw. eine unmittelbare Vermischung des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff. Nur Protonen können durch die Protonenaustauschmembran 2 hindurchtreten. Dies ermöglicht eine kalte Oxydation des Wasserstoffs 4 zu Wasser unter gleichzeitiger Gewinnung von elektrischem Strom. Dieser elektrische Strom wird durch Flächenelektroden 6 abgegriffen, die rückwärtig an den Diffusorschichten 3 anliegen. Dabei sind die Flächenelektroden 6 mit Durchbrechungen 7 versehen, um es dem Wasserstoff 4 einerseits und dem Sauerstoff 5 andererseits zu ermöglichen, an vielen Orten in die jeweilige Diffusorschicht 3 überzutreten. Zudem kann durch die Durchbrechungen 7 auch bei der kalten Oxydation des Wasserstoffs 4 anfallendes Wasser aus der Diffusorschicht 3 abgeführt werden. Der elektrische Innenwiderstand der dargestellten Brennstoffzelle 1 hängt stark von den Kontaktwiderständen zwischen den Flächenelektroden 6 und den davor liegenden Diffusorschichten 3 ab. Auch der elektrische Widerstand innerhalb der jeweiligen Flächenelektrode 6 ist von großer Bedeutung. Um diese Einflussfaktoren auf den Innenwiderstand der Brennstoffzelle 1 im Sinne einer Reduzierung dieses Innenwiderstands zu optimieren, sind die Flächenelektroden 6 von dem in Fig. 2 separat skizzierten besonderen Aufbau.
Die Darstellung gemäß Fig. 2 ist nicht maßstabsgetreu. Sie dient nur dazu, die folgenden Details zu erläutern. Die Flächenelektrode 6 weist ein Grundgerüst 8 auf, das mit einer Edelmetallbeschichtung 9 versehen ist. Das Grundgerüst 8 besteht aus Reinnickel, was eine hohe elektrische Leitfähigkeit in der Ebene der Flächenelektrode 6 garantiert. Die Edelmetallbeschichtung 7 besteht aus reinem Platin, das galvanisch auf das Grundgerüst 8 aufgebracht ist. Dabei ist zwischen dem Grundgerüst 8 und der Edelmetallbeschichtung 7 eine Phosphornickelschicht 10 ausgebildet, die als Mittler zwischen dem Grundgerüst 8 und der Edelmetallbeschichtung 7 dient. Die Edelmetallbeschichtung 7 umschließt das Grundgerüst 8 vollständig. Es besteht somit keine Gefahr, dass Ni³⁺-Ionen aus dem Grundgerüst 8 austreten und protonenleitende Wege durch die Protonenaustauschmembran 2 gemäß Fig. 1 blockieren. Diese Gefahr ist grundsätzlich bei der Verwendung von Nickel in Brennstoffzellen bzw. Hydrolyseuren gegeben. Die Edelmetallbeschichtung 7 aus Platin hat zudem den Vorteil einer zusätzlichen Reduzierung des Kontaktwiderstands zwischen der Flächenelektrode 6 und der angrenzenden Diffusorschicht 3. Auch die katalytischen Eigenschaften des Platins können in der Brennstoffzelle 1 gemäß Fig. 1 in vorteilhafter Weise ausgenutzt werden.
Die Durchbrechungen 7 in der Flächenelektrode 6 können, wie in Fig. 3 gezeigt ist, beispielsweise kreislochförmig sein. Es sind aber auch andere Formen von Durchbrechungen ohne weiteres nutzbar. Sinnvoll ist eine relativ feine Verteilung von Durchbrechungen mit einem relativ hohen Anteil der Durchbrechungen 7 an der Gesamtfläche der Flächenelektrode 6. Weder die in Fig. 3 dargestellten rundlochförmigen Durchbrechungen 7 noch die in Fig. 4 dargestellten langlochförmigen Durchbrechungen 7 sind hier maßstabsgerecht wiedergegeben. Es kommt auch auf eine ganz bestimmte Anordnung und Verteilung dieser Durchbrechungen 7 nicht an. Ganz entscheidend ist hingegen die hier beschriebene Materialauswahl für die Ausbildung der Flächenelektrode 6. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Brennstoffzelle
2 Protonenaustauschmembran
3 Diffusorschicht
4 Wasserstoff
5 Sauerstoff
6 Flächenelektrode
7 Durchbrechung
8 Grundgerüst
9 Edelmetallbeschichtung
10 Phosphornickelschicht

Claims

1. Brennstoffzelle oder Hydrolyseur mit einer zentralen Protonenaustauschmembran, mit einer Diffusorschicht auf mindestens einer Seite der Protonenaustauschmembran und mit einer die Diffusorschicht flächig abstützenden, Durchbrechungen aufweisenden Flächenelektrode, wobei die Flächenelektrode ein Nickel enthaltendes Grundgerüst und eine Edelmetallbeschichtung auf dem Grundgerüst aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundgerüst (8) der Flächenelektrode (6) zu mindestens 90 Gewichts-% aus Nickel besteht und dass die Edelmetallbeschichtung (9) das Grundgerüst (8) in der Brennstoffzelle bzw. dem Hydrolyseur vollständig abdeckt und zu mindestens 90% aus Platin und/oder Palladium besteht.

2. Brennstoffzelle oder Hydrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundgerüst (8) zu mindestens 96 Gewichts-%, vorzugsweise zu mindestens 99 Gewichts-%, aus Nickel besteht.

3. Brennstoffzelle oder Hydrolyseur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundgerüst (8) mit den Durchbrechungen (7) unter Verwendung einer Maske hergestellt ist.

4. Brennstoffzelle oder Hydrolyseur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundgerüst (8) galvanisch abgeschieden ist.

5. Brennstoffzelle oder Hydrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelmetallbeschichtung (9) zu mindestens 96 Gewichts-%, vorzugsweise zu mindestens 99 Gewichts-% aus Platin und/oder Palladium besteht.

6. Brennstoffzelle oder Hydrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelmetallbeschichtung (9) galvanisch auf dem Grundgerüst (8) abgeschieden ist.

7. Brennstoffzelle oder Hydrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Grundgerüst (8) und der Edelmetallbeschichtung (9) eine Phosphornickelschicht (10) vorgesehen ist.

8. Brennstoffzelle oder Hydrolyseur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Phosphornickelschicht (10) durch Phosphorilierung der Oberfläche des Grundgerüsts (8) hergestellt ist.

9. Brennstoffzelle oder Hydrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundgerüst (8) eine Dicke von 0,1 bis 0,3 mm und die Edelmetallbeschichtung (9) eine Stärke von 0,2 bis 1,0 µm aufweist.

10. Brennstoffzelle oder Hydrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrechungen (7) rund- und/oder langlochförmig sind

11. Brennstoffzelle oder Hydrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrechungen (7) in mindestens einer Richtung nicht breiter als 1 mm, vorzugsweise nicht breiter als 0,5 mm, und in der Richtung senkrecht dazu nicht länger als 5 mm, vorzugsweise nicht länger 3 mm sind.

12. Brennstoffzelle oder Hydrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächendichte der Durchbrechungen (7) 30 bis 70% der Gesamtfläche der Flächenelektrode (6) beträgt.

13. Brennstoffzelle oder Hydrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenelektrode (6) einen Randbereich mit einer anderen Anordnung von Durchbrechungen (7) oder ohne Durchbrechungen aufweist.