DE102018203406A1 - Gas distributor structure for a fuel cell - Google Patents
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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
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 der1a , -
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.
-
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 the1a . -
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
Der Zusammenbau von mehreren bekannten Brennstoffzellen 100* zu einem Stack ist in der
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
Die Gasverteilerstruktur
Im hinteren bzw. zweiten Bereich
Die Erfindung erkennt dabei, dass mit fortlaufendem Gasfluss durch die Gasverteilerstruktur
Die Kosten der Gasverteilerstruktur
Die erste Verteilerstruktur
Die zweite Verteilerstruktur
Die
Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass in die Gasflussrichtung x des Reaktanten gesehen sich ein dritter Bereich
Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass in die Gasflussrichtung x des Reaktanten gesehen der erste Bereich
Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur
Die voranstehende Beschreibung der
Claims (10)
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| DE102018203406.0A DE102018203406A1 (en) | 2018-03-07 | 2018-03-07 | Gas distributor structure for a fuel cell |
| PCT/EP2019/055412 WO2019170652A1 (en) | 2018-03-07 | 2019-03-05 | Gas distributor structure for a fuel cell |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102018203406.0A DE102018203406A1 (en) | 2018-03-07 | 2018-03-07 | Gas distributor structure for a fuel cell |
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| DE102018203406A1 true DE102018203406A1 (en) | 2019-09-12 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE102018203406.0A Pending DE102018203406A1 (en) | 2018-03-07 | 2018-03-07 | Gas distributor structure for a fuel cell |
Country Status (2)
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|---|---|
| DE (1) | DE102018203406A1 (en) |
| WO (1) | WO2019170652A1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Family Cites Families (5)
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|---|---|---|---|---|
| DE10047248A1 (en) * | 2000-09-23 | 2002-04-18 | Dornier Gmbh | Electrochemical cell stack |
| DE102006049252A1 (en) * | 2006-10-19 | 2008-04-30 | Robert Bosch Gmbh | Fuel cell for motor vehicle, has multiple single cell units, which are supplied by gas flow comprising hydrogen and gas flow comprising oxygen, and heat exchanger integrated in one of single cell units |
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-
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- 2019-03-05 WO PCT/EP2019/055412 patent/WO2019170652A1/en not_active Ceased
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2019170652A1 (en) | 2019-09-12 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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