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DE102018203406A1 - Gas distributor structure for a fuel cell - Google Patents

Gas distributor structure for a fuel cell Download PDF

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DE102018203406A1
DE102018203406A1 DE102018203406.0A DE102018203406A DE102018203406A1 DE 102018203406 A1 DE102018203406 A1 DE 102018203406A1 DE 102018203406 A DE102018203406 A DE 102018203406A DE 102018203406 A1 DE102018203406 A1 DE 102018203406A1
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DE
Germany
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distributor structure
fuel cell
region
reactant
gas distributor
Prior art date
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Pending
Application number
DE102018203406.0A
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German (de)
Inventor
Jan Hendrik Ohs
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
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
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Priority to PCT/EP2019/055412 priority patent/WO2019170652A1/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasverteilerstruktur (10) für eine Brennstoffzelle (100), die zum Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle (100) dient und die zwischen einer Bipolarplatte (101) und einer Membranelektrodeneinheit (MEA) anordenbar ist, aufweisend einen ersten Bereich (11) mit einer ersten, insbesondere kanalförmigen, Verteilerstruktur (S1) zum Bereitstellen des Reaktanten in die Brennstoffzelle (100) und einen zweiten Bereich (12) mit einer zweiten, insbesondere porösen, Verteilerstruktur (S2) zum Weiterleiten des Reaktanten in der Brennstoffzelle (100), wobei in die Gasflussrichtung (x) des Reaktanten gesehen sich der zweite Bereich (12) an den ersten Bereich (11) anschließt.The invention relates to a gas distributor structure (10) for a fuel cell (100), which serves for providing a reactant to the fuel cell (100) and which can be arranged between a bipolar plate (101) and a membrane electrode unit (MEA), comprising a first region (11 ) with a first, in particular channel-shaped, distributor structure (S1) for providing the reactant into the fuel cell (100) and a second region (12) with a second, in particular porous, distributor structure (S2) for forwarding the reactant in the fuel cell (100) in which, viewed in the gas flow direction (x) of the reactant, the second region (12) adjoins the first region (11).

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle, oder einen Elektrolyseur, die zum Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle dient, nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch. Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Brennstoffzelle nach dem nebengeordneten Vorrichtungsanspruch.The invention relates to a gas distribution structure for a fuel cell, in particular a PEM fuel cell, or an electrolyzer, which serves to provide a reactant to the fuel cell, according to the independent device claim. Furthermore, the invention relates to a corresponding fuel cell according to the independent device claim.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, bei denen Wasserstoff H2 und Sauerstoff 02 in Wasser H2O, elektrische Energie und Wärme gewandelt werden. Die 1a zeigt schematisch einen Aufbau einer bekannten Brennstoffzelle 100*, bspw. einer PEM-Brennstoffzelle mit einer Betriebstemperatur unterhalb 120°C. Ein Stapel bzw. eine Wiederholungseinheit dieses Aufbaus bildet einen (Brennstoffzellen-)Stack, wie es die 1b zeigt. Die Reaktanten, Wasserstoff H2 und Sauerstoff 02, bspw. aus einer einfachen Umgebungsluft, sowie Kühlflüssigkeit, bspw. Wasser H20, werden über spezielle Gasverteilerstrukturen 10*, 20* in die Brennstoffzelle 100* eingeleitet. Bekannte Gasverteilerstrukturen 10*, 20* werden zumeist entweder als eine kanalförmige Verteilerstruktur S1 in einem geprägten Blech oder als eine poröse Verteilerstruktur S2, bspw. aus einem Drahtgewebe, Mesh, Metallschaum oder ähnlichen Strukturen, realisiert. Auf einer Seite der Gasverteilerstrukturen 10*, 20* strömt ein Reaktant (z.B. Sauerstoff 02 der Luft oder Wasserstoff H2), auf der anderen Seite strömt die Kühlflüssigkeit H2O. Die Gasverteilerstrukturen 10*, 20* in Form von geprägten Blechen sind einfache, kostengünstige Bauteile. Nachteilig ist bei geprägten Blechen jedoch, dass sich unter den Stegen einer solchen Kanalstruktur auf der Kathodenseite K der Brennstoffzelle 100* Produktwasser ansammeln kann. Dieses Produktwasser kann den Stofftransport der Reaktanden H2 oder 02 hin zur eine Katalysatorschicht E1 auf einer Membran 103 blockieren, wodurch die Leistung der Brennstoffzelle 100* einbrechen kann. Das Produktwasser kann besser über die porösen Verteilerstrukturen S2 ausgetragen bzw. abtransportiert werden. Die Gasverteilerstrukturen 10*, 20* in Form von porösen Verteilerstrukturen S2 sind jedoch teurer und aufwendiger in der Herstellung als geprägte Bleche. Außerdem bewirken poröse Verteilerstrukturen S2 einen starken Druckabfall beim Transportieren des Reaktanten, sodass ein größerer Verdichter auf der Kathodenseite K notwendig ist, der wiederum mehr Energie für seinen Betrieb benötigt.Fuel cells are electrochemical energy converters in which hydrogen H2 and oxygen 02 are converted into water H2O, electrical energy and heat. The 1a schematically shows a structure of a known fuel cell 100 *, for example. A PEM fuel cell with an operating temperature below 120 ° C. A stack or repeating unit of this structure forms a (fuel cell) stack, like the 1b shows. The reactants, hydrogen H2 and oxygen 02, for example from a simple ambient air, as well as cooling liquid, for example water H20, are introduced into the fuel cell 100 * via special gas distributor structures 10 *, 20 *. Known gas distributor structures 10 *, 20 * are usually either as a channel-shaped distributor structure S1 in an embossed sheet or as a porous manifold structure S2 , For example, from a wire mesh, mesh, metal foam or similar structures implemented. On one side of the gas distributor structures 10 *, 20 * flows a reactant (eg oxygen 02 of the air or hydrogen H2), on the other side flows the cooling liquid H2O. The gas distributor structures 10 *, 20 * in the form of embossed sheets are simple, inexpensive components. A disadvantage of embossed sheets, however, is that under the webs of such a channel structure on the cathode side K of the fuel cell 100 * product water can accumulate. This product water can be the mass transport of the reactants H2 or 02 towards a catalyst layer E1 on a membrane 103 block, whereby the performance of the fuel cell 100 * can break. The product water can better through the porous distribution structures S2 discharged or transported away. The gas distributor structures 10 *, 20 * in the form of porous distributor structures S2 However, they are more expensive and expensive to produce than embossed sheets. In addition, porous distribution structures effect S2 a large pressure drop during transport of the reactant, so that a larger compressor on the cathode side K is necessary, which in turn requires more energy for its operation.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung sieht eine Gasverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle, oder für einen Elektrolyseur, die zum Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle dient, mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches sowie eine Brennstoffzelle mit mindestens einer entsprechenden Gasverteilerstruktur mit den Merkmalen des nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruches vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Gasverteilerstruktur beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.The invention provides a gas distributor structure for a fuel cell, in particular a PEM fuel cell, or for an electrolyzer, which serves to provide a reactant to the fuel cell, having the features of the independent device claim and a fuel cell with at least one corresponding gas distributor structure with the characteristics of the independent independent Device claim before. Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the drawings. In this case, features and details that are described in connection with the gas distributor structure according to the invention apply, of course, also in connection with the fuel cell according to the invention and in each case vice versa, so that with respect to the disclosure of the individual aspects of the invention always reciprocal reference is or may be.

Die vorliegende Erfindung sieht eine Gasverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle, oder einen Elektrolyseur vor, die zum Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle dient, aufweisend einen ersten Bereich mit einer ersten, insbesondere kanalförmigen, bspw. geprägten, Verteilerstruktur zum Bereitstellen des Reaktanten in die Brennstoffzelle, und einen zweiten Bereich mit einer zweiten, insbesondere porösen, bspw. schaumförmigen, Verteilerstruktur zum Weiterleiten des Reaktanten in der Brennstoffzelle, wobei in die Gasflussrichtung des Reaktanten gesehen sich der zweite Bereich an den ersten Bereich anschließt bzw. fluidisch angeschlossen ist. Unter dem Begriff „porös“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine offenporige, mediendurchlässige Struktur verstanden.The present invention provides a gas distributor structure for a fuel cell, in particular a PEM fuel cell, or an electrolyzer, which serves to provide a reactant to the fuel cell, comprising a first region having a first, in particular channel-shaped, for example embossed, distributor structure for providing the Reactants in the fuel cell, and a second region having a second, in particular porous, foam-shaped, distribution structure for forwarding the reactant in the fuel cell, wherein seen in the gas flow direction of the reactant, the second region is connected to the first region or is fluidly connected , For the purposes of the present invention, the term "porous" is understood to mean an open-pored, media-permeable structure.

Die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur kann auf der Kathodenseite der Bipolarplatte vorteilhaft sein, um Wasseransammlungen an der Membran zu vermeiden. Auf der Anodenseite kann eine Bipolarplatte weiterhin ein geprägtes metallisches Blech aufweisen. Zwischen den beiden Verteilerstrukturen kann ein Kühlmittel aufgenommen werden.The gas distributor structure according to the invention may be advantageous on the cathode side of the bipolar plate in order to avoid water accumulation on the membrane. On the anode side, a bipolar plate may further comprise an embossed metallic sheet. A coolant can be accommodated between the two distributor structures.

Ein Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass die Gasverteilerstruktur auf der Luftseite bzw. Kathodenseite einer Brennstoffzelle in Gasflussrichtung gesehen im vorderen ersten Bereich eine erste, insbesondere kanalförmige, Verteilerstruktur aufweist, die aus einem kostengünstigen geprägten Blech ausgebildet ist. Im hinteren zweiten Bereich dagegen ist an das geprägte Blech eine zweite, insbesondere poröse, Verteilerstruktur angeschlossen, welche ggf. mit der ersten Verteilerstruktur gefügt sein kann. Die erste, insbesondere kanalförmige, Verteilerstruktur ist vorteilhafterweise kostengünstig und im vorderen ersten Bereich auf der Kathodenseite völlig ausreichend, da die Luft typischerweise komplett trocken der Brennstoffzelle zugeführt wird, und die Ansammlung des Produktwassers sich eher im hinteren zweiten Bereich der Gasverteilerstruktur bildet. Dort, im zweiten Bereich, kann nun die etwas teurere zweite, insbesondere poröse, Verteilerstruktur vorgesehen sein, die die Ansammlung von Produktwasser in der Gasdiffusionslage oder an der Katalysatorschicht vermeidet und ein Abtransport des Produktwassers begünstigt. Die Erfindung erkennt dabei, dass mit zunehmendem Gasfluss durch die Brennstoffzelle bei hoher Stromdichte mehr und mehr Produktwasser anfällt, welches bei niedrigen Betriebsbedingungen (T<100°C) flüssig ausfallen kann. Die zweite poröse Verteilerstruktur, bspw. in Form eines offenporösen Metallschaumes, eines Metallgeflechtes oder eines Metallgewebes, sorgt allerdings zuverlässig dafür, dass das Produktwasser mit dem Gasfluss des Reaktanten (bspw. Luft) abtransportiert werden kann. Mit dem Einsatz einer kostengünstigen ersten Verteilerstruktur stellt die Erfindung sicher, dass die Kosten bei der Gasverteilerstruktur optimiert, insbesondere reduziert, werden. Mit dem Einsatz einer teureren, aber auch feineren zweiten Verteilerstruktur stellt die Erfindung wiederum sicher, dass das Produktwasser sicher aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird. Zudem erwächst bei der erfindungsgemäßen Gasverteilerstruktur der Vorteil eines reduzierten Druckabfalls in die Gasflussrichtung des Reaktanten gesehen, da die Luft in relativ breite Kanäle der ersten Verteilerstruktur mit reduziertem Strömungswiderstand eingeleitet wird.An idea of the invention lies in the fact that the gas distributor structure on the air side or cathode side of a fuel cell in the front first region has a first, in particular channel-shaped, distributor structure, which is formed from a cost-effective stamped sheet metal. In contrast, in the rear second area, a second, in particular porous, distribution structure is connected to the embossed sheet, which may optionally be joined to the first distribution structure. The first, in particular channel-shaped, distribution structure is advantageously inexpensive and completely sufficient in the front first region on the cathode side, since the air is typically supplied completely dry to the fuel cell, and the accumulation of product water tends to form in the rear second area of the gas distribution structure. There, in the second area, the somewhat more expensive second, in particular porous, distribution structure can now be provided, which avoids the accumulation of product water in the gas diffusion layer or on the catalyst layer and favors removal of the product water. The invention recognizes that with increasing gas flow through the fuel cell at high current density more and more product water is obtained, which can be liquid at low operating conditions (T <100 ° C). However, the second porous distribution structure, for example in the form of an open-pore metal foam, a metal mesh or a metal mesh, reliably ensures that the product water can be transported away with the gas flow of the reactant (for example air). With the use of a low-cost first distribution structure, the invention ensures that the costs in the gas distribution structure are optimized, in particular reduced. With the use of a more expensive, but also finer second distribution structure, the invention again ensures that the product water is safely discharged from the fuel cell. In addition, in the case of the gas distributor structure according to the invention, the advantage of a reduced pressure drop in the gas flow direction of the reactant arises, since the air is introduced into relatively wide channels of the first distributor structure with reduced flow resistance.

Ferner kann es vorgesehen sein, dass der erste Bereich ein geprägtes Blech aufweist, durch welches die erste Verteilstruktur ausgebildet ist. Eine solche erste Verteilstruktur kann kostengünstig und einfach hergestellt werden. Zudem sorgt eine solche Verteilstruktur für einen reduzierten Strömungswiederstand im ersten Bereich der Gasverteilerstruktur.Furthermore, provision may be made for the first region to have an embossed sheet, through which the first distribution structure is formed. Such a first distribution structure can be produced inexpensively and easily. In addition, such a distribution structure ensures a reduced flow resistance in the first region of the gas distributor structure.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die erste Verteilerstruktur aus Titan, Kupfer, Aluminium oder Edelstahl ausgebildet ist. Solche Materialien helfen, eine zuverlässige elektrische Kontaktierung herzustellen. Außerdem lassen sich solche Materialien leicht verarbeiten, formen und elektrisch anbinden (bspw. durch Schweißen, Löten, Sintern, Schmelzen oder dergleichen). Die Herstellung der ersten Verteilerstruktur kann dadurch erleichtert werden. Weiterhin ist es denkbar, dass die Verteilerstruktur mit einer Beschichtung versehen sein kann.Furthermore, it is advantageous that the first distributor structure is made of titanium, copper, aluminum or stainless steel. Such materials help to make a reliable electrical contact. In addition, such materials are easy to process, form and electrically bond (eg, by welding, soldering, sintering, melting or the like). The production of the first distributor structure can thereby be facilitated. Furthermore, it is conceivable that the distributor structure can be provided with a coating.

Auch ist es denkbar, dass die erste Verteilerstruktur periodisch ausgebildet ist. Durch eine periodische (gleiche wiederholende geometrische Ausgestaltung) erste Verteilerstruktur kann der Gasfluss auf eine einfache Weise eingestellt und prognostiziert werden. Hierzu kann ein Verdichter entsprechend angesteuert werden.It is also conceivable that the first distributor structure is periodically formed. By a periodic (same repetitive geometric design) first distribution structure, the gas flow can be set and predicted in a simple manner. For this purpose, a compressor can be controlled accordingly.

Zudem kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass der zweite Bereich ein poröses Material aufweist. Ein poröses Material sorgt vorteilhafterweise dafür, dass sich keine großen Wasseransammlungen bilden. Durch die Poren kann außerdem der Gasfluss besser aufgewirbelt werden, um das Produktwasser besser auszutragen.In addition, it may be provided in the context of the invention that the second region comprises a porous material. A porous material advantageously ensures that no large accumulations of water form. The pores can also be used to stir up the gas flow better, in order to better carry out the product water.

Außerdem ist es im Rahmen der Erfindung bei einer Gasverteilerstruktur denkbar, dass die zweite Verteilerstruktur aus einem Metallschaum, einem Metallgeflecht oder einem Metallgewebe ausgebildet ist. Ein Metallschaum lässt sich bspw. durch Aufschäumen einer Metallschmelze mithilfe eines Treibmittels oder durch Beschichten einer Platzhaltestruktur mit einer Metallschicht mit einem nachträglichen Ausbrennen der Platzhaltestruktur herstellen. Solche zweite Verteilerstruktur kann eine hohe Porosität (insbesondere mit offenen / durchlässigen Poren) bis zu 95 % aufweisen. Bei einem Metallgeflecht oder einem Metallgewebe können bestimmte, geordnete Kanäle für den Gasfluss ausgebildet werden, mithin kann der Druckverlust beim Gasfluss des Reaktanten durch die Gasverteilerstruktur reduziert werden.Moreover, in the context of the invention in a gas distributor structure, it is conceivable that the second distributor structure is formed from a metal foam, a metal mesh or a metal mesh. A metal foam can be produced, for example, by foaming a molten metal with the aid of a propellant or by coating a placeholder structure with a metal layer with a subsequent burn-out of the placeholder structure. Such second distribution structure can have a high porosity (in particular with open / permeable pores) of up to 95%. With a metal mesh or a metal mesh, certain ordered channels for the gas flow can be formed, and thus the pressure loss in the gas flow of the reactant through the gas distribution structure can be reduced.

Im Rahmen der Erfindung ist es ferner denkbar, dass die zweite Verteilerstruktur periodisch oder stochastisch ausgebildet ist. Durch die periodische zweite Verteilerstruktur kann der Druckverlust reduziert werden. Durch die stochastische zweite Verteilerstruktur kann eine hohe Porosität und eine bessere Verwirbelung beim Gasfluss für einen verbesserten Wasserabtransport eingestellt werden.In the context of the invention, it is also conceivable that the second distribution structure is formed periodically or stochastically. Due to the periodic second distribution structure, the pressure loss can be reduced. Due to the stochastic second distribution structure, a high porosity and better turbulence in the gas flow can be set for improved water removal.

Ebenfalls ist es im Rahmen der Erfindung möglich, dass in die Gasflussrichtung des Reaktanten gesehen sich ein dritter Bereich mit einer ersten, insbesondere kanalförmigen, Verteilerstruktur zum Abführen des Reaktanten aus der Brennstoffzelle an den zweiten Bereich anschließt. Mit anderen Worten kann die zweite poröse Verteilerstruktur am Anfang und am Ende zwischen einer ersten Verteilerstruktur angeordnet werden. Durch den dritten Bereich können wiederum Kanäle gebildet werden, durch welchen nun das kondensierte Produktwasser einfacher aus der Gasverteilerstruktur abgeführt werden kann. Außerdem kann ein kanalförmiger dritter Bereich eine Vereinfachung bei den Anschlüssen in der Brennstoffzelle mit sich bringen. Dieser dritte Bereich kann sich nicht nur oberhalb der aktiven Katalysatorschicht erstrecken, sondern auch in den Randbereichen und/oder in den Einlaufbereichen (auch Subgasket genannt) vorliegen.It is likewise possible within the scope of the invention for a third region, viewed in the gas flow direction of the reactant, to follow a first, in particular channel-shaped, distributor structure for discharging the reactant from the fuel cell to the second region. In other words, the second porous manifold structure may be disposed at the beginning and at the end between a first manifold structure. In turn, channels can be formed through the third region, through which now the condensed product water can be more easily removed from the gas distributor structure. In addition, a channel-shaped third region can bring about a simplification in the connections in the fuel cell. This third region can not only extend above the active catalyst layer, but also be present in the edge regions and / or in the inlet regions (also called subgasket).

Des Weiteren kann die Erfindung bei einer Gasverteilerstruktur vorsehen, dass in die Gasflussrichtung des Reaktanten gesehen der erste Bereich 40% bis 80%, insbesondere 50% bis 60%, vorzugsweise 50% der Gesamtlänge der Gasverteilerstruktur einnimmt. Somit können die Kosten im System auf eine vorteilhafte Weise reduziert werden. Zudem ist es denkbar, dass in die Gasflussrichtung des Reaktanten gesehen der zweite Bereich 20% bis 60%, insbesondere 40% bis 50%, vorzugsweise 50% der Gesamtlänge der Gasverteilerstruktur einnimmt. Somit kann ein verbesserter Wasseraustrag sichergestellt werden.Furthermore, in the case of a gas distributor structure, the invention can provide for the first region to occupy 40% to 80%, in particular 50% to 60%, preferably 50%, of the total length of the gas distributor structure as viewed in the gas flow direction of the reactant. Thus, the costs in the system can increase an advantageous manner can be reduced. In addition, it is conceivable that seen in the gas flow direction of the reactant, the second region occupies 20% to 60%, in particular 40% to 50%, preferably 50% of the total length of the gas distributor structure. Thus, an improved water discharge can be ensured.

Zudem stellt die Erfindung eine Brennstoffzelle, insbesondere Brennstoffzellenstack, bereit, die auf einer Kathodenseite eine Gasverteilerstruktur aufweist, die, wie oben beschrieben, ausgeführt sein kann. Mithilfe der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Gasverteilerstruktur beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.In addition, the invention provides a fuel cell, in particular a fuel cell stack, which has a gas distributor structure on a cathode side, which can be designed as described above. By means of the fuel cell according to the invention, the same advantages can be achieved, which have been described above in connection with the gas distributor structure according to the invention. In the present case, full reference is made to these advantages.

Figurenlistelist of figures

Die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur und die erfindungsgemäße Brennstoffzelle und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

  • 1a eine beispielhafte Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik,
  • 1b eine Wiederholungseinheit bzw. ein Stack mit mehreren Brennstoffzellen gemäß der 1a,
  • 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Gasverteilerstruktur mit einer ersten kanalförmigen Verteilerstruktur und einer zweiten porösen Verteilerstruktur,
  • 3 eine Seitenansicht auf eine erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur, und
  • 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Gasverteilerstruktur in einem weiteren Ausführungsbeispiel.
The gas distributor structure according to the invention and the fuel cell according to the invention and their developments and their advantages are explained in more detail below with reference to drawings. Each show schematically:
  • 1a an exemplary fuel cell according to the prior art,
  • 1b a repeating unit or a stack with a plurality of fuel cells according to the 1a .
  • 2 FIG. 2 a schematic representation of a gas distributor structure according to the invention with a first channel-shaped distributor structure and a second porous distributor structure, FIG.
  • 3 a side view of a gas distributor structure according to the invention, and
  • 4 a schematic representation of a gas distributor structure according to the invention in a further embodiment.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.In the different figures, identical parts of the invention are always provided with the same reference numerals, which is why they are usually described only once.

Die 1a zeigt ein klassisches Beispiel einer bekannten Brennstoffzelle 100*, die eine Membranelektrodeneinheit MEA aufweist, die eine Membran 103 umfasst. Die Membran 103 ist auf einer Kathodenseite K mit einer Katalysatorschicht E1 und auf einer Anodenseiten A mit einer Katalysatorschicht E2 ausgeführt. Weiterhin kann die Membran 103 zwischen zwei Gasdiffusionslagen GDL aus einem porösen Kohlenstoffpapier eingebettet sein. Entweder die Membran 103 oder die Gasdiffusionslagen GDL sind mit jeweils einer Katalysatorschicht E1, E2 beschichtet, an der die aktive Zone der Membran 103 zum Auslösen der elektrochemischen Reaktion dient. Auf der Kathodenseite K wird zunehmend eine poröse Verteilerstruktur S2, bspw. aus einem Drahtgewebe, Metallgeflecht oder Metallschaum, als eine Gasverteilerstruktur 10* eingesetzt, um Wasseransammlungen zu vermeiden. Auf der Anodenseite A wird weiterhin eine kanalförmige Verteilerstruktur S1, bspw. aus einem geprägten Blech, eingesetzt. Poröse Verteilerstrukturen sind jedoch kostspielige Bauteile, die außerdem einen relativ starken Druckabfall bei Einleiten des Reaktanten bewirken.The 1a shows a classic example of a known fuel cell 100 *, which has a membrane electrode unit MEA, which is a membrane 103 includes. The membrane 103 is on a cathode side K with a catalyst layer E1 and on an anode side A with a catalyst layer E2 executed. Furthermore, the membrane 103 between two gas diffusion layers GDL be embedded in a porous carbon paper. Either the membrane 103 or the gas diffusion layers GDL are each with a catalyst layer E1 . E2 coated on which the active zone of the membrane 103 to trigger the electrochemical reaction. On the cathode side K becomes increasingly a porous distribution structure S2 , For example, from a wire mesh, metal mesh or metal foam, used as a gas distribution structure 10 * to avoid water retention. On the anode side A will continue a channel-shaped distribution structure S1 , For example, from an embossed sheet used. However, porous manifold structures are costly components that also cause a relatively large pressure drop upon introduction of the reactant.

Der Zusammenbau von mehreren bekannten Brennstoffzellen 100* zu einem Stack ist in der 1b gezeigt. Ein solcher Zusammenbau ist jedoch ziemlich kostenintensiv. Die Gaszufuhr sowie Gasabfuhr erfolgt dabei senkrecht zur Ebene der 1b.The assembly of several known fuel cells 100 * into a stack is in the 1b shown. Such assembly, however, is quite costly. The gas supply and gas removal takes place perpendicular to the plane of 1b ,

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 2 bis 4 erklärt.The invention will be explained below with reference to FIGS. 2 to 4.

Die 2 zeigt eine ebene Lage als eine Bipolarplatte 101, die im Sinne der Erfindung in einem Kathodenbereich K einer Brennstoffzelle 100 eingesetzt werden kann. Die 2 zeigt dabei eine Draufsicht auf die Bipolarplatte 101, auf der eine erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur 10 angeordnet ist.The 2 shows a planar position as a bipolar plate 101 , in the sense of the invention in a cathode area K a fuel cell 100 can be used. The 2 shows a plan view of the bipolar plate 101 on which a gas distributor structure according to the invention 10 is arranged.

Die Gasverteilerstruktur 10 im Sinne der Erfindung weist auf der Luftseite bzw. Kathodenseite K in Gasflussrichtung x gesehen im vorderen bzw. ersten Bereich 11 eine erste, insbesondere kanalförmige, Verteilerstruktur S1 auf. Diese erste bzw. kanalförmige Verteilerstruktur S1 kann aus einem kostengünstigen geprägten Blech hergestellt werden und insgesamt zu einer Kostenreduktion beim Herstellen der Gasverteilerstruktur 10 führen.The gas distributor structure 10 in the sense of the invention has on the air side or cathode side K in gas flow direction x seen in the front or first area 11 a first, in particular channel-shaped, distribution structure S1 on. This first or channel-shaped distributor structure S1 can be made from a low-cost stamped sheet metal and overall to a cost reduction in manufacturing the gas distribution structure 10 to lead.

Im hinteren bzw. zweiten Bereich 12 weist die Gasverteilerstruktur 10 dagegen eine zweite, insbesondere poröse, Verteilerstruktur S2 auf, welche sich an die ersten Verteilerstruktur S1 anschließt, wie es die 3 veranschaulicht. Die zweite bzw. poröse, insbesondere offenporöse, Verteilerstruktur S2 sorgt für einen effizienten Austrag des Produktwassers.In the rear or second area 12 has the gas distribution structure 10 in contrast, a second, in particular porous, distribution structure S2 on, which conform to the first distribution structure S1 joins, like the 3 illustrated. The second or porous, in particular open-porous, distribution structure S2 ensures efficient discharge of the product water.

Die Erfindung erkennt dabei, dass mit fortlaufendem Gasfluss durch die Gasverteilerstruktur 10 bei hoher Stromdichte mehr und mehr Produktwasser anfällt, welches bei niedrigen Betriebsbedingungen (T<100°C) flüssig ausfallen kann. Die zweite bzw. poröse Verteilerstruktur S2, die etwas kostspieliger ist als die erste bzw. kanalförmige Verteilerstruktur S1, wird somit nur dort eingesetzt, wo eine Ansammlung von flüssigem Produktwasser zu erwarten ist. Mit dem Einsatz einer teureren, aber auch filigraneren zweiten Verteilerstruktur S2 stellt die Erfindung sicher, dass diese Gefahr genau dort ausgemerzt wird, wo sie besteht.The invention recognizes that with continuous gas flow through the gas distributor structure 10 At high current density more and more product water is obtained, which can be liquid at low operating conditions (T <100 ° C). The second or porous distributor structure S2 , which is slightly more expensive than the first or channel-shaped distributor structure S1 , is thus used only where an accumulation of liquid product water is expected. With the use of a more expensive, but also filigree second distribution structure S2 The invention ensures that this danger is eradicated exactly where it exists.

Die Kosten der Gasverteilerstruktur 10 werden somit auf eine vorteilhafte Weise optimiert. Zudem sorgt die erste bzw. kanalförmige Verteilerstruktur S1 für einen reduzierten Druckabfall beim Einleiten des Reaktanten in die Gasverteilerstruktur 10. Somit können Kosten bei der Auslegung eines Verdichters zum Bereitstellen des kathodenseitigen Reaktanten in einer Brennstoffzelle 100 reduziert werden.The cost of the gas distribution structure 10 are thus optimized in an advantageous manner. In addition, the first or channel-shaped distributor structure provides S1 for a reduced pressure drop when introducing the reactant into the gas distributor structure 10 , Thus, costs associated with designing a compressor to provide the cathode-side reactant in a fuel cell 100 be reduced.

Die erste Verteilerstruktur S1 und die zweite Verteilerstruktur S2 können durch Verpressen, Schweißen, Löten oder Sintern elektrisch an die Bipolarplatte 101 angeschlossen werden. Untereinander können die Verteilerstrukturen S1, S2 ebenfalls gefügt werden.The first distribution structure S1 and the second distribution structure S2 can be electrically applied to the bipolar plate by compression, welding, soldering or sintering 101 be connected. The distribution structures can be arranged one below the other S1 . S2 also be joined.

Die zweite Verteilerstruktur S2 im Sinne der Erfindung kann sowohl periodisch, bspw. als ein Metallgewebe, oder stochastisch, bspw. als ein Metallschaum, ausgebildet sein.The second distribution structure S2 For the purposes of the invention may be both periodically, for example. As a metal fabric, or stochastic, for example. As a metal foam, be formed.

Die 3 zeigt die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur 10 in einer Seitenansicht. Dabei ist es erkennbar, dass bei einem Einlass K1 in die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur 10 die erste bzw. kanalförmige Verteilerstruktur S1 sich befindet. Am Auslass K2 aus der erfindungsgemäßen Gasverteilerstruktur 10 befindet sich die zweite bzw. poröse Verteilerstruktur S2. Die Gasverteilerstruktur 10 ist dabei zwischen einer Bipolarplatte 101 in Form einer ebenen Platte und einer Membranelektrodeneinheit MEA angeordnet.The 3 shows the gas distributor structure according to the invention 10 in a side view. It can be seen that at an inlet K1 in the gas distributor structure according to the invention 10 the first or channel-shaped distributor structure S1 located. At the outlet K2 from the gas distributor structure according to the invention 10 is the second or porous distribution structure S2 , The gas distributor structure 10 is between a bipolar plate 101 in the form of a flat plate and a membrane electrode assembly MEA arranged.

Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass in die Gasflussrichtung x des Reaktanten gesehen sich ein dritter Bereich 13 mit einer ersten, insbesondere kanalförmigen, Verteilerstruktur S1 zum Abführen des Reaktanten aus der Gasverteilerstruktur 10 an den zweiten Bereich 12 anschließen kann. Mithilfe des dritten Bereiches 13 kann am Auslass K2 aus der Gasverteilerstruktur 10 ein einfacher Abtransport des Produktwassers und des Produktgases erfolgen. Die 4 zeigt eine Ansicht von oben auf eine solche Gasverteilerstruktur 10, die an einer ebenen Bipolarplatte 101 angebracht ist. Durch die Endabschnitte der Bipolarplatte 101 können weiterhin die jeweiligen Einlässe E1 (H2), E1 (H2O) sowie Auslässe E2 (H2), E2 (H2O) für Kühlwasser H2O und Wasserstoff H2 senkrecht zur Ebene der 5 verlaufen.Furthermore, it is conceivable within the scope of the invention for a third region to be seen in the gas flow direction x of the reactant 13 with a first, in particular channel-shaped, distribution structure S1 for discharging the reactant from the gas distributor structure 10 to the second area 12 can connect. Using the third area 13 can at the outlet K2 from the gas distributor structure 10 a simple removal of the product water and the product gas done. The 4 shows a view from above of such a gas distributor structure 10 attached to a flat bipolar plate 101 is appropriate. Through the end sections of the bipolar plate 101 can continue the respective inlets E1 (H2), E1 (H2O) and outlets E2 (H2), E2 (H2O) for cooling water H2O and hydrogen H2 perpendicular to the plane of 5 run.

Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass in die Gasflussrichtung x des Reaktanten gesehen der erste Bereich 11 40% bis 80%, insbesondere 50% bis 60%, vorzugsweise 50% der Gesamtlänge der Gasverteilerstruktur 10 einnehmen kann, um die Kosten im System zu reduzieren. Zudem ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass in die Gasflussrichtung x des Reaktanten gesehen der zweite Bereich 12 20% bis 60%, insbesondere 40% bis 50%, vorzugsweise 50% der Gesamtlänge der Gasverteilerstruktur 10 einnehmen kann, um einen verbesserten Wasseraustrag aus der Brennstoffzelle 100 sicherzustellen.In principle, it is conceivable within the scope of the invention for the first region to be seen in the gas flow direction x of the reactant 11 40% to 80%, in particular 50% to 60%, preferably 50% of the total length of the gas distributor structure 10 to reduce costs in the system. Moreover, it is conceivable within the scope of the invention for the second region to be seen in the gas flow direction x of the reactant 12 20% to 60%, in particular 40% to 50%, preferably 50% of the total length of the gas distributor structure 10 can take to improved water discharge from the fuel cell 100 sure.

Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur 10 auf der Kathodenseite K einer Brennstoffzelle 100 eingesetzt werden. Gleichwohl ist es aber auch denkbar, dass die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur 10 auch auf der Anodenseite A einer Brennstoffzelle 100 eingesetzt werden kann, um auch dort den Gasfluss zu begünstigen. Die Brennstoffzelle 100 ist dabei nicht im Detail gezeigt. Die Brennstoffzelle 100 kann dabei bis auf die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur 10, die anstatt der bekannten Gasverteilerstruktur 10* verwendet wird, ähnlich wie die Brennstoffzelle 100* gemäß den 1a und 1b aufgebaut werden.Preferably, the gas distributor structure according to the invention 10 on the cathode side K a fuel cell 100 be used. Nevertheless, it is also conceivable that the gas distributor structure according to the invention 10 also on the anode side A a fuel cell 100 can be used to favor the gas flow there as well. The fuel cell 100 is not shown in detail. The fuel cell 100 can except for the gas distributor structure according to the invention 10 that instead of the known gas distributor structure 10 * is used, similar to the fuel cell 100 * according to the 1a and 1b being constructed.

Die voranstehende Beschreibung der 2 bis 4 beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The above description of 2 to 4 describes the present invention solely in the context of examples. Of course, individual features of the embodiments, insofar as it is technically feasible, can be freely combined with one another without departing from the scope of the invention.

Claims (10)

Gasverteilerstruktur (10) für eine Brennstoffzelle (100), die zum Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle (100) dient und die zwischen einer Bipolarplatte (101) und einer Membranelektrodeneinheit (MEA) anordenbar ist, aufweisend: einen ersten Bereich (11) mit einer ersten, insbesondere kanalförmigen, Verteilerstruktur (S1) zum Bereitstellen des Reaktanten in die Brennstoffzelle (100), und einen zweiten Bereich (12) mit einer zweiten, insbesondere porösen, Verteilerstruktur (S2) zum Weiterleiten des Reaktanten in der Brennstoffzelle (100), wobei in die Gasflussrichtung (x) des Reaktanten gesehen sich der zweite Bereich (12) an den ersten Bereich (11) anschließt.A gas distributor structure (10) for a fuel cell (100) for providing a reactant to the fuel cell (100) and which is arrangeable between a bipolar plate (101) and a membrane electrode assembly (MEA), comprising: a first region (11) having a first, in particular channel-shaped, distributor structure (S1) for providing the reactant into the fuel cell (100), and a second region (12) having a second, in particular porous, distributor structure (S2) for passing the reactant in the fuel cell (100), wherein, viewed in the gas flow direction (x) of the reactant, the second region (12) adjoins the first region (11). Gasverteilerstruktur (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (11) ein geprägtes Blech aufweist, durch welches die erste Verteilstruktur (S1) ausgebildet ist.Gas distributor structure (10) according to Claim 1 , characterized in that the first region (11) comprises an embossed sheet, through which the first distribution structure (S1) is formed. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verteilerstruktur (S1) aus Titan, Kupfer, Aluminium oder Edelstahl ausgebildet ist.Gas distributor structure (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first distributor structure (S1) made of titanium, copper, aluminum or stainless steel is formed. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verteilerstruktur (S1) periodisch ausgebildet ist. Gas distributor structure (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first distributor structure (S1) is formed periodically. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich (12) ein poröses Material aufweist.Gas distributor structure (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the second region (12) comprises a porous material. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verteilerstruktur (S2) aus einem Metallschaum, einem Metallgeflecht oder einem Metallgewebe ausgebildet ist.Gas distributor structure (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the second distributor structure (S2) is formed from a metal foam, a metal mesh or a metal mesh. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verteilerstruktur (S2) periodisch oder stochastisch ausgebildet ist.Gas distributor structure (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the second distributor structure (S2) is formed periodically or stochastically. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Gasflussrichtung (x) des Reaktanten gesehen sich ein dritter Bereich (13) mit einer ersten, insbesondere kanalförmigen, Verteilerstruktur (S1) zum Abführen des Reaktanten aus der Brennstoffzelle (100) an den zweiten Bereich (12) anschließt.Gas distributor structure (10) according to one of the preceding claims, characterized in that viewed in the gas flow direction (x) of the reactant, a third region (13) with a first, in particular channel-shaped, distributor structure (S1) for discharging the reactant from the fuel cell (100 ) connects to the second region (12). Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Gasflussrichtung (x) des Reaktanten gesehen der erste Bereich (11) 40% bis 80%, insbesondere 50% bis 60%, vorzugsweise 50% der Gesamtlänge der Gasverteilerstruktur (10) einnimmt, und/oder dass in die Gasflussrichtung (x) des Reaktanten gesehen der zweite Bereich (12) 20% bis 60%, insbesondere 40% bis 50%, vorzugsweise 50% der Gesamtlänge der Gasverteilerstruktur (10) einnimmt.Gas distributor structure (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that in the gas flow direction (x) of the reactant, the first region (11) 40% to 80%, in particular 50% to 60%, preferably 50% of the total length of the gas distributor structure ( 10), and / or that seen in the gas flow direction (x) of the reactant, the second region (12) occupies 20% to 60%, in particular 40% to 50%, preferably 50% of the total length of the gas distributor structure (10). Brennstoffzelle (100), die auf einer Kathodenseite (K) eine Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.A fuel cell (100) having on a cathode side (K) a gas distributor structure (10) according to one of the preceding claims.
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