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WO2019170652A1 - Gasverteilerstruktur für eine brennstoffzelle - Google Patents

Gasverteilerstruktur für eine brennstoffzelle Download PDF

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WO2019170652A1
WO2019170652A1 PCT/EP2019/055412 EP2019055412W WO2019170652A1 WO 2019170652 A1 WO2019170652 A1 WO 2019170652A1 EP 2019055412 W EP2019055412 W EP 2019055412W WO 2019170652 A1 WO2019170652 A1 WO 2019170652A1
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WO
WIPO (PCT)
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distributor structure
fuel cell
gas
region
reactant
Prior art date
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PCT/EP2019/055412
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English (en)
French (fr)
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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Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H01M8/0241—Composites
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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a gas distributor structure for a fuel cell, in particular a PEM fuel cell, or an electrolyzer, which serves for providing a reactant to the fuel cell, after
  • the invention relates to a corresponding fuel cell according to the independent device claim.
  • Fuel cells are electrochemical energy converters that convert hydrogen H2 and oxygen 02 into water H20, electrical energy and heat.
  • the figure la shows schematically a structure of a known fuel cell 100 *, for example.
  • a stack or repeating unit of this construction forms a (fuel cell) stack, as shown in FIG. 1b.
  • 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
  • Distributor structure S2 for example. From a wire mesh, mesh, metal foam or similar structures implemented. On one side of the gas distributor structures 10 *,
  • embossed sheets flows a reactant (eg oxygen 02 of the air or hydrogen H2), on the other side flows the cooling liquid H20.
  • 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 * Can accumulate product water. This product water can block the mass transport of the reactants H2 or 02 towards a catalyst layer El on a membrane 103, whereby the performance of the fuel cell 100 * can break. The product water can do better over the porous
  • Gas distributor structures 10 *, 20 * in the form of porous distributor structures S2 are more expensive and more expensive to produce than embossed plates.
  • porous distribution structures S2 cause a strong pressure drop during embossed plates.
  • Cathode side K is necessary, which in turn requires more energy for its operation.
  • the invention provides a gas distributor structure for a fuel cell
  • 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 with a second, in particular porous, eg.
  • foam-like, distribution structure for forwarding the reactant in the Fuel cell, wherein viewed in the gas flow direction of the reactant, the second region is connected to the first region or is fluidly connected.
  • the term "porous" is understood to mean an open-pored, media-permeable structure.
  • 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.
  • a bipolar plate On the anode side, a bipolar plate may further comprise an embossed metallic sheet. A coolant can be accommodated between the two distributor structures.
  • An idea of the invention resides in the fact that the gas distributor structure on the air side or cathode side of a fuel cell, as seen in the gas flow direction, in the front first region has a first, in particular channel-shaped,
  • Distributor structure which is formed from a low-cost embossed sheet.
  • 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, distributor 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 forms more in the rear second region of the gas distributor structure.
  • the somewhat more expensive second, in particular porous, distribution structure can now be provided which the
  • Catalyst layer avoids and promotes removal of 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).
  • the second porous distributor structure for example in the form of an open-pore
  • metal foam, a metal-filled or a metal mesh reliably ensures that the product water can be removed with the gas flow of the reactant (for example, air).
  • the reactant for example, air
  • the invention ensures that the costs in the gas distribution structure are optimized, in particular reduced.
  • the invention again ensures that the product water safely from the
  • the first region may have an embossed sheet, through which the first distribution structure is formed.
  • Such a first distribution structure can be produced inexpensively and easily.
  • such a distribution structure ensures a reduced flow resistance in the first region of the gas distributor structure.
  • 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.
  • the first distributor structure is periodically formed.
  • the gas flow can be set and predicted in a simple manner.
  • a compressor can be controlled accordingly.
  • the second region comprises a porous material.
  • a porous material ensures
  • the pores can also be used to stir up the gas flow better, in order to better carry out the product water.
  • the second distributor structure consists of a metal foam, a Metal mesh or a metal mesh is formed.
  • 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%.
  • 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.
  • Fuel cell connects to the second area.
  • the second porous manifold structure may be disposed at the beginning and at the end between a first manifold structure.
  • 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.
  • a channel-shaped third region can bring about a simplification in the connections in the fuel cell. This third region can extend not only above the active catalyst layer, but also into the
  • Edge areas and / or in the inlet areas are present.
  • the invention can provide for the first region to be 40% to 80%, in particular 50% to 60%, preferably 50% of the total length, of the reactant in the gas flow direction
  • Gas distribution structure occupies. Thus, an improved water discharge can be ensured.
  • the invention provides a fuel cell, in particular
  • Fuel cell stack ready on a cathode side
  • Gas distributor structure which, as described above, can be executed.
  • 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.
  • FIG. 1 a shows an exemplary fuel cell according to the prior art
  • Fig. Lb a repeat unit or a stack with several
  • Fig. 2 is a schematic representation of an inventive
  • Gas distributor structure with a first channel-shaped distributor structure and a second porous distributor structure
  • Fig. 3 is a side view of a gas distributor structure according to the invention.
  • Fig. 4 is a schematic representation of an inventive
  • FIG. 1 a shows a classic example of a known fuel cell 100 * which has a membrane electrode unit MEA which comprises a membrane 103.
  • the membrane 103 is on a cathode side K with a
  • Gas diffusion layers GDL be embedded in a porous carbon paper. Either the membrane 103 or the gas diffusion layers GDL are each coated with a catalyst layer El, E2, to which the active zone of the membrane 103 serves to trigger the electrochemical reaction. On the cathode side K is increasingly a porous manifold structure S2, for example. From a
  • a gas distribution structure 10 * used to prevent water retention.
  • On the anode side A is still a channel-shaped distributor structure Sl, for example. From an embossed sheet used.
  • porous manifold structures are costly components that also cause a relatively large pressure drop upon introduction of the reactant.
  • FIG. 1b The assembly of several known fuel cells 100 * into a stack is shown in FIG. 1b. Such assembly, however, is quite costly. The gas supply and gas removal takes place perpendicular to the plane of the figure lb.
  • FIG. 2 shows a planar position as a bipolar plate 101, which in the sense of the invention can be used in a cathode region K of a fuel cell 100.
  • FIG. 2 shows a plan view of the bipolar plate 101, on which a gas distributor structure 10 according to the invention is arranged.
  • the gas distributor structure 10 in the sense of the invention has on the air side or cathode side K in the gas flow direction x seen in the front or first region 11 a first, in particular channel-shaped, distribution structure S1.
  • This first or channel-shaped distributor structure S1 can be produced from a cost-effective embossed metal sheet and overall lead to a cost reduction in the manufacture of the gas distributor structure 10.
  • the gas distributor structure 10 has a second, in particular porous, distributor structure S2, which adjoins the first distributor structure S1, as illustrated in FIG.
  • the second or porous, in particular open-porous, distributor structure S2 ensures efficient discharge of the product water.
  • the invention recognizes that with continuous gas flow through the
  • Gas distribution 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 somewhat more expensive than the first or channel-shaped distributor structure S1, is thus used only where an accumulation of liquid product water is to be 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.
  • the cost of the gas distribution structure 10 are thus optimized in an advantageous manner.
  • the first or channel-shaped distributor structure Sl ensures a reduced pressure drop when the reactant is introduced into the gas distributor structure 10.
  • costs in the design of a compressor for providing the cathode-side reactant in a fuel cell 100 can be reduced.
  • the first distributor structure S1 and the second distributor structure S2 can be electrically connected to the bipolar plate 101 by pressing, welding, soldering or sintering.
  • the distribution structures S1, S2 can also be joined one below the other.
  • the second distributor structure S2 in the sense of the invention can be formed both periodically, for example as a metal mesh, or stochastically, for example as a metal foam.
  • FIG. 3 shows the gas distributor structure 10 according to the invention in one embodiment
  • Distributor structure S1 is located. At the outlet K2 from the gas distributor structure 10 according to the invention is the second or porous distributor structure S2.
  • the gas distributor structure 10 is arranged between a bipolar plate 101 in the form of a flat plate and a membrane electrode unit MEA.
  • a third region 13 can connect to the second region 12 with a first, in particular channel-shaped, distributor structure S1 for discharging the reactant from the gas distributor structure 10.
  • a third region 13 can at the outlet K2 from the
  • FIG. 4 shows a view from above of such a gas distributor structure 10, which is attached to a flat bipolar plate 101.
  • the respective inlets El (H2), El (H20) and outlets E2 (H2), E2 (H20) for cooling water H20 and hydrogen H2 can furthermore run perpendicular to the plane of FIG.
  • Gas flow direction x of the reactant seen the first region 11 40% to 80%, in particular 50% to 60%, preferably 50% of the total length of
  • Gas distribution structure 10 can take to reduce the cost in the system. Moreover, it is within the scope of the invention conceivable that in the
  • Gas flow direction x of the reactant seen the second region 12 20% to 60%, in particular 40% to 50%, preferably 50% of the total length of
  • Gas distributor structure 10 can take to ensure improved water discharge from the fuel cell 100.
  • the gas distributor structure 10 according to the invention can be used on the cathode side K of a fuel cell 100.
  • the gas distributor structure 10 according to the invention can also be used on the anode side A of a fuel cell 100 in order to there to favor the gas flow.
  • the fuel cell 100 is not shown in detail.
  • the fuel cell 100 can be constructed similarly to the fuel cell 100 * according to FIGS. 1 a and 1 b, with the exception of the gas distributor structure 10 according to the invention, which is used instead of the known gas distributor structure 10 *.
  • FIGS. 2 to 4 describes the present invention exclusively in the context of examples.
  • 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.

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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.

Description

Beschreibung
Gasverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle
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 Vorrichtungs anspruch.
Stand der Technik
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, bei denen Wasserstoff H2 und Sauerstoff 02 in Wasser H20, elektrische Energie und Wärme gewandelt werden. Die Figur la zeigt schematisch einen Aufbau einer bekannten Brennstoffzelle 100*, bspw. einer PEM-Brennstoffzelle mit einer Betriebs temperatur unterhalb 120°C. Ein Stapel bzw. eine Wiederholungseinheit dieses Aufbaus bildet einen (Brennstoffzellen-)Stack, wie es die Figur lb 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 H20. 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 El 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.
Offenbarung der Erfindung
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.
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.
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.
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 Metall gef I echtes 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.
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.
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.
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.
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.
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 hersteilen. 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.
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.
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.
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.
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.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
Die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur und die erfindungsgemäße
Brennstoffzelle und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
Fig. la eine beispielhafte Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik,
Fig. lb eine Wiederholungseinheit bzw. ein Stack mit mehreren
Brennstoffzellen gemäß der Figur la,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Gasverteilerstruktur mit einer ersten kanalförmigen Verteilerstruktur und einer zweiten porösen Verteilerstruktur,
Fig. 3 eine Seitenansicht auf eine erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Gasverteilerstruktur in einem weiteren Ausführungsbeispiel. In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
Die Figur la 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 El 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 El, 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 Sl, bspw. aus einem geprägten Blech, eingesetzt. Poröse Verteilerstrukturen sind jedoch kostspielige Bauteile, die außerdem einen relativ starken Druckabfall bei Einleiten des Reaktanten bewirken.
Der Zusammenbau von mehreren bekannten Brennstoffzellen 100* zu einem Stack ist in der Figur lb gezeigt. Ein solcher Zusammenbau ist jedoch ziemlich kostenintensiv. Die Gaszufuhr sowie Gasabfuhr erfolgt dabei senkrecht zur Ebene der Figur lb.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 2 bis 4 erklärt.
Die Figur 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 Figur 2 zeigt dabei eine Draufsicht auf die Bipolarplatte 101, auf der eine erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur 10 angeordnet ist.
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.
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 Figur 3 veranschaulicht. Die zweite bzw. poröse, insbesondere offenporöse, Verteilerstruktur S2 sorgt für einen effizienten Austrag des Produktwassers.
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 Sl, 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.
Die Kosten der Gasverteilerstruktur 10 werden somit auf eine vorteilhafte Weise optimiert. Zudem sorgt die erste bzw. kanalförmige Verteilerstruktur Sl 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.
Die erste Verteilerstruktur Sl und die zweite Verteilerstruktur S2 können durch Verpressen, Schweißen, Löten oder Sintern elektrisch an die Bipolarplatte 101 angeschlossen werden. Untereinander können die Verteilerstrukturen Sl, S2 ebenfalls gefügt werden.
Die zweite Verteilerstruktur S2 im Sinne der Erfindung kann sowohl periodisch, bspw. als ein Metallgewebe, oder stochastisch, bspw. als ein Metallschaum, ausgebildet sein. Die Figur 3 zeigt die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur 10 in einer
Seitenansicht. Dabei ist es erkennbar, dass bei einem Einlass Kl 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.
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 Figur 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 El (H2), El (H20) sowie Auslässe E2 (H2), E2 (H20) für Kühlwasser H20 und Wasserstoff H2 senkrecht zur Ebene der Figur 5 verlaufen.
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.
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 Figuren la und lb aufgebaut werden.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren 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.

Claims

Ansprüche
1. 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 (Sl) 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.
2. Gasverteilerstruktur (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Bereich (11) ein geprägtes Blech aufweist, durch welches die erste Verteilstruktur (Sl) ausgebildet ist.
3. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Verteilerstruktur (Sl) aus Titan, Kupfer, Aluminium oder Edelstahl ausgebildet ist.
4. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Verteilerstruktur (Sl) periodisch ausgebildet ist.
5. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite Bereich (12) ein poröses Material aufweist.
6. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Verteilerstruktur (S2) aus einem Metallschaum, einem Metallgeflecht oder einem Metallgewebe ausgebildet ist.
7. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Verteilerstruktur (S2) periodisch oder stochastisch ausgebildet ist.
8. 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 (Sl) zum Abführen des Reaktanten aus der Brennstoffzelle (100) an den zweiten Bereich (12) anschließt.
9. 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.
10. Brennstoffzelle (100), die auf einer Kathodenseite (K) eine
Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
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